著者の所属・活動拠点の国は、中国です。

掲載誌：Biology

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

真骨魚（多くの身近な魚を含むグループ）は、一般に陸上の哺乳類より糖をうまく処理できず、食後の高血糖が続きやすいとされます。ただしその程度は系統によって大きく異なります。草食性や雑食性の魚は血糖値を速やかに戻せる一方、肉食性の魚は糖や炭水化物の多い餌を食べた後に血糖値が大きく上がり、高い状態が続きます。魚のインスリンの働き自体はおおむね保たれていると報告されており、肉食魚の糖への弱さは、その下流にある代謝の調節に原因があるのではないかと考えられています。

糖を分解する「解糖」と、糖を新たに作る「糖新生」には、それぞれ反応全体の速さを決める「律速酵素」があります。研究チームは、こうした酵素の遺伝子の進化が魚種ごとの糖代謝の違いに関わっている可能性に注目しました。対象は、中国で経済的価値の高い淡水魚で、川底にすむ典型的な肉食魚のロングスナウトキャットフィッシュ（Leiocassis longirostris）です。この魚は炭水化物の少ない食性に長く適応してきたとされ、炭水化物の多い餌を与えると高血糖が続き、肝臓に脂肪がたまります。研究チームは、この性質に関わる候補遺伝子を探し、その進化の特徴を明らかにすることを目指しました。

何を、どのように調べたか

研究チームは、公開データベースなどから染色体レベルの質の高いゲノム情報を持つ脊椎動物7種を選びました。内訳は、草食性の真骨魚としてソウギョとブラントスナウトブリーム（Megalobrama amblycephala）、肉食性の真骨魚としてロングスナウトキャットフィッシュとコウライギギ、モデル魚のゼブラフィッシュ、早くに分かれた条鰭類のコチョウザメ、そして比較の基準となる軟骨魚類です。系統の幅と食性の違いの両方を考えて選ばれています。

これらのゲノムを比べ、遺伝子ファミリーごとのコピー数の増減と系統樹を調べました。さらに、アミノ酸を変える変異が特定の系統で速く積み重なっていないか、また自然選択によって有利な変化が残された跡（正の選択）がないかを統計モデルで検定しました。候補となった遺伝子ファミリーについては、遺伝子の構造、タンパク質の機能領域や共通配列、種間で遺伝子の並び順が保たれているか（シンテニー）を比較しました。加えて、正の選択を受けたと推定された部位を、AI構造予測ツールAlphaFold3で予測したタンパク質の立体構造上に位置づけました。

主な報告結果

解析したすべての代謝遺伝子のうち、遺伝子ファミリーの縮小、進化速度の加速、正の選択の3つが同時に見られた律速酵素は、解糖の律速酵素であるホスホフルクトキナーゼ（PFK）だけでした。研究チームは、コピー数が減る一方で残った遺伝子が正の選択のもとで速く進化しているこのパターンから、PFKをこの魚の糖代謝適応を探るうえで重要な候補遺伝子ファミリーと位置づけています。

PFKにはpfkm、pfkl、pfkpの3つのタイプがあります。真骨魚の系統では、真骨魚に特有の全ゲノム重複によってこれらのタイプがさらに枝分かれしました。ロングスナウトキャットフィッシュではpfkmとpfkpが1コピーずつ、pfklが2コピー残っており、この重複でできたコピーがタイプによって不均等に失われたことになります。草食魚のソウギョとブラントスナウトブリームはpfkm、pfkp、および解糖酵素エノラーゼの遺伝子を比較的多くのコピー数で保っていたのに対し、肉食魚の2種ではいくつかの解糖遺伝子のコピー数が減っていました。

遺伝子の並び順を比べると、pfkmとpfklの周辺領域はロングスナウトキャットフィッシュ、ソウギョ、ゼブラフィッシュの間でよく保たれていました。一方、pfkpはソウギョとゼブラフィッシュの間では並び順が対応していたものの、ロングスナウトキャットフィッシュでは対応する領域が見つからず、この系統で染色体上の位置が組み替わった可能性が示されました。

正の選択の検定では、pfkpのほか、解糖のhk2、pkm、gapdh、糖新生のpckでも、ロングスナウトキャットフィッシュの系統で正の選択を示す有意な結果（p<0.001）が得られました。具体的なアミノ酸部位としては、hk2で多数、pfkpで3か所、pkmとpckで各1か所が特定されましたが、gapdhでは確度の高い部位は見つかりませんでした。

pfkpの3か所は、この魚のタンパク質ではSer257、Gly273、Ser279にあたり、いずれも酵素の触媒を担う前半部分（1〜399番目）の、予測の信頼度が非常に高い領域にありました。273番目はもう一方のサブユニットの基質と結合する部位で、複数のサブユニットが集まる接触面に位置します。3か所は互いに離れており（273番目から257番目まで17.1Å、279番目まで22.9Å）、1つの結合ポケットを作ってはいませんでした。

一方、PFKのタンパク質構造そのものは種を超えてよく保たれていました。10種類の共通配列の並びは全種で同じで、どのPFKも約800アミノ酸の完全な機能領域を持っていました。遺伝子の長さはタイプによって異なり、ロングスナウトキャットフィッシュのpfkpは約43kbで、ソウギョのpfkpa（約33kb）より長く、その差は主に遺伝子内の非コード領域（イントロン）の長さによるものでした。

このほか、ナマズ類では炭水化物の消化・吸収、インスリンシグナル、PI3K-Aktシグナルといった糖代謝に関わる経路の遺伝子が大きく減っており、逆にタンパク質や脂質の代謝に関わる経路は拡大していました。

この報告が示すこと

研究チームは、ロングスナウトキャットフィッシュの糖代謝の特徴は、長い肉食の歴史の中でゲノムレベルで形づくられた適応である可能性があると述べています。筋肉は魚が糖を使う重要な場であり、主に骨格筋の解糖で働くpfkmのコピー数が減ったことは、末梢の組織で糖を使う能力の低下と関係しているかもしれないとしています。そのうえで、この魚の糖の使いにくさは、糖代謝全体が一様に衰えたというより、末梢での解糖能力に関わるゲノムの変化と主に結びついていると解釈しています。

また、解糖と糖新生の複数の調節点で同時に適応的な変化が見られたことから、単一の遺伝子ではなく、両方の経路のネットワークが協調して進化した可能性が高いと考えています。PFKについては、酵素の基本的な骨組みは保ったまま、コピー数、遺伝子構造、特定のアミノ酸の置き換わりといった変化を通じて性質が変わってきた可能性を挙げています。研究チームはPFKを、ゲノムの進化と糖代謝の特徴を結びつける重要な候補とし、養殖で餌の炭水化物量を最適化するための理論的な手がかりになるとしています。

ただし、この研究は主に比較ゲノム解析によるものであり、研究チーム自身、試験管内での酵素活性の測定や遺伝子編集による機能の確認が欠かせないと述べています。より多様な魚種のゲノムを加えた解析も必要だとしています。

原著論文の著者・所属：Junwei Zhang（Fisheries College, Ocean University of China, Qingdao 266071, China; State Key Laboratory of Breeding Biotechnology and Sustainable Aquaculture, Hubei Hongshan Laboratory, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China）、Qisheng Lu（College of Advanced Agricultural Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; State Key Laboratory of Breeding Biotechnology and Sustainable Aquaculture, Hubei Hongshan Laboratory, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China）、Haokun Liu（State Key Laboratory of Breeding Biotechnology and Sustainable Aquaculture, Hubei Hongshan Laboratory, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China）、Zhimin Zhang（State Key Laboratory of Breeding Biotechnology and Sustainable Aquaculture, Hubei Hongshan Laboratory, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China）、Junyan Jin（State Key Laboratory of Breeding Biotechnology and Sustainable Aquaculture, Hubei Hongshan Laboratory, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China）、Shouqi Xie（College of Advanced Agricultural Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; State Key Laboratory of Breeding Biotechnology and Sustainable Aquaculture, Hubei Hongshan Laboratory, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China）、Dong Han（College of Advanced Agricultural Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; State Key Laboratory of Breeding Biotechnology and Sustainable Aquaculture, Hubei Hongshan Laboratory, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China）

※本記事は原著論文をもとに、日本語で要約・説明を加えた研究紹介です。 出典（原著論文）：Junwei Zhang, Qisheng Lu, Haokun Liu, et al. Adaptive Evolution of the PFK Gene Family in Chinese Longsnout Catfish, Leiocassis longirostris. Biology（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-09-01. DOI: 10.3390/biology15171481. 原著ライセンス：CC BY.