昼行性および夜行性ヘビのメラノプシン遺伝子（Opn4x）の特性評価

Characterization of the melanopsin gene (Opn4x) of diurnal and nocturnal snakes.

• Einat Hauzman
• Venkatasushma Kalava
• Daniela Maria Oliveira Bonci
• Dora Fix Ventura

抄録

背景:

脊椎動物における概日リズム制御や瞳孔光反射などの光に対する非視覚応答の多くは、網膜発色団に結合したGタンパク質結合膜受容体であるメラノプシンによって媒介されている。非哺乳類脊椎動物では、メラノプシンの発現は網膜および眼外組織内で変動している。脊椎動物では、Opn4xとOpn4mの2つのパラログメラノプシン遺伝子が分類されている。ヘビは日常の活動パターンが多様性に富んだ脊椎動物であり、そのメラノプシン遺伝子の構造や機能、発現パターンの違いに疑問がある。本研究では、3科(キツネベラ科、エゾヘビ科、コガネムシ科)のヘビ18種の網膜に発現するメラノプシン遺伝子を解析し、網膜外組織の発現を調べた。

BACKGROUND: A number of non-visual responses to light in vertebrates, such as circadian rhythm control and pupillary light reflex, are mediated by melanopsins, G-protein coupled membrane receptors, conjugated to a retinal chromophore. In non-mammalian vertebrates, melanopsin expression is variable within the retina and extra-ocular tissues. Two paralog melanopsin genes were classified in vertebrates, Opn4x and Opn4m. Snakes are highly diversified vertebrates with a wide range of daily activity patterns, which raises questions about differences in structure, function and expression pattern of their melanopsin genes. In this study, we analyzed the melanopsin genes expressed in the retinas of 18 snake species from three families (Viperidae, Elapidae, and Colubridae), and also investigated extra-retinal tissue expression.

結果:

系統解析の結果、増幅された遺伝子はOpn4xグループに属し、Opn4mの発現は認められなかった。同じパラログが虹彩で発現しているが、眼外発現は検出されなかった。分子進化解析の結果、メラノプシンは主に強い浄化選択の下で進化していることが示唆されたが、蛇系統では非蛇のOpn4xやOpn4mに比べて進化的制約が低い(ω=0.2)が、非蛇のOpn4xやOpn4mに比べて進化的制約が低い(ω=0.1)。選択的制約の統計的解析により、蛇の系統的関係が種の活性パターンよりもメラノプシンの進化に強い影響を与えていることが示唆された。In situハイブリダイゼーションの結果、外核層と内核層、神経節細胞層の細胞内にメラノプシンが存在し、視神経では強い標識が見られた。

RESULTS: Phylogenetic analysis revealed that the amplified gene belongs to the Opn4x group, and no expression of the Opn4m was found. The same paralog is expressed in the iris, but no extra-ocular expression was detected. Molecular evolutionary analysis indicated that melanopsins are evolving primarily under strong purifying selection, although lower evolutionary constraint was detected in snake lineages (ω = 0.2), compared to non-snake Opn4x and Opn4m (ω = 0.1). Statistical analysis of selective constraint suggests that snake phylogenetic relationships have driven stronger effects on melanopsin evolution, than the species activity pattern. In situ hybridization revealed the presence of melanopsin within cells in the outer and inner nuclear layers, in the ganglion cell layer, and intense labeling in the optic nerve.

結論:

ヘビにおけるOpn4m遺伝子と眼外感光性組織の喪失は、ヘビの進化の初期の歴史の中で、夜行性／メソスコピックなボトルネックの長期化と関連している可能性がある。すべての網膜核層にメラノプシンを含む細胞が存在することは、世界的に光感受性の高い網膜であることを示しており、古典的な視細胞での発現は、メラノプシンと視覚オプシンが地域的に共発現していることを示唆している。

CONCLUSIONS: The loss of the Opn4m gene and extra-ocular photosensitive tissues in snakes may be associated with a prolonged nocturnal/mesopic bottleneck in the early history of snake evolution. The presence of melanopsin-containing cells in all retinal nuclear layers indicates a globally photosensitive retina, and the expression in classic photoreceptor cells suggest a regionalized co-expression of melanopsin and visual opsins.