国立先进产业技术综合研究所［理事长：中钵良二］（以下简称“AIST”）生物过程研究部［研究主任：田村智博］ 竹间深津，首席研究员（兼）生物共生与进化机制研究组组长，春本俊之，原日本学术振兴会研究员（现任日本工业技术研究所博士后研究员）洛桑）等共生细菌螺原体是主持人果蝇仅限女性，男性杀戮说生殖操纵涉及的重要机制X染色体和一条 Y 染色体，与只有一条 X 染色体的女性 (XX) 相比，只有一半的 X 染色体基因剂量补偿复合体) 连接到整个 X 染色体。通过破坏与这种蛋白质-RNA 复合物结合的染色体，螺原体在雄性胚胎发育过程中发挥特殊作用。程序性细胞死亡（细胞凋亡）结果，雄性卵子全部死亡，只有雌性卵子正常发育。
这将增进我们对共生细菌对宿主生物体生殖操纵的理解，并且有用的昆虫天敌农药的高效生产等技术发展做出贡献。
该研究成果于2016年9月21日（英国时间）发表在国际学术期刊上自然通讯
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果蝇体液中共生细菌螺原体的暗视野显微图像（左）（右）
它呈螺旋状（箭头），导致宿主蝇杀死雄性，因此所有下一代受感染的雌性都会变成雌性。
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微生物先进的生物学功能已被应用于食品生产、药物开发等各个领域。近年来，在种类繁多的微生物中，与动植物共存并表现出复杂生物功能的共生微生物作为未开发的生物资源而引起人们的关注。昆虫也是在生物多样性中发挥核心作用的一类动物，其多样化的生物学功能有望得到开发和利用。
昆虫和微生物之间的共生关系经常被观察到，所谓的生殖操纵现象，即共生微生物的感染导致所有宿主昆虫变成雌性或极大地改变宿主昆虫的性分化和生殖方式，不仅从基本生物学角度来看很有趣，而且有可能导致诸如雄性和雌性有用昆虫的生产以及天敌农药的高效生产等技术的发展。然而，分子和细胞水平的具体机制仍然很大程度上未知。
在 AIST，我们正在阐明在昆虫体内共生的细菌的新生物学功能 (2004 年 3 月 26 日、2007 年 6 月 13 日、2010 年 11 月 19 日、2012 年 4 月 24 日、2013 年 6 月 11 日 AIST 新闻稿)，了解昆虫和共生细菌之间的高级生物相互作用 (2013 年 6 月 21 日、2014 年 9 月 26 日、2015 年 7 月 14 日、2016 年 1 月 11 日 AIST 新闻稿) 等
共生细菌尤其以其操纵宿主昆虫繁殖的能力而闻名沃尔巴克氏体，“发现从共生微生物到宿主昆虫的水平基因组转移”(2002 年 10 月 29 日 AIST 新闻稿)，“抑制共生细菌会产生介于雄性和雌性之间的蝴蝶”(2007年7月2日AIST主要研究成果)，“沃尔巴克氏体的发现，一种为臭虫提供必需营养的细胞内共生细菌”(2009 年 12 月 22 日 AIST 新闻稿)，“共生细菌沃尔巴克氏体的维生素 B7 合成能力支持臭虫的生存”(2014 年 7 月 1 日 AIST 新闻稿)。
这次，我们致力于阐明共生细菌螺旋原体杀死雄性表型的分子和细胞机制，螺旋原体具有与沃尔巴克氏体不同的生殖操纵能力。本研究的部分成果得到了科学研究补助金（Grant-in-Aid for Special Studies）的支持。
通常情况下，雌性黑腹果蝇所产的卵中雄性和雌性的比例大致相等（图1A），但只有雌性是由感染共生细菌螺原体的雌性所产的卵发育而来（图1B）。
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| 图1未感染螺原体的雌性/感染雌性的下一代果蝇 (A) 在未受感染的雌性的后代中，有腹尖黑色的雄性和腹部全身苍白的雌性。 (B) 受感染雌性的后代只能成为雌性，因为雄性胚胎在发育过程中被杀死。
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感染螺原体的雌性所产卵的孵化率减半，表明发生了雄性杀戮，即雄性卵被杀死，只有雌性卵孵化。对卵内胚胎的检查表明，虽然雌性胚胎正常，但雄性胚胎中却发生了一种称为细胞凋亡的程序性细胞死亡（图 2A 和 B），表明这是雄性死亡的直接原因。
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| 图2果蝇胚胎中螺原体感染导致的雄性特异性细胞死亡 白色亮点是细胞死亡信号，虚线显示胚胎体的轮廓。在受感染的雌性胚胎中，几乎没有细胞死亡（A），但在受感染的雄性胚胎中，全身都可见细胞死亡信号（B）。在 p53 缺失突变体的受感染雄性胚胎中，细胞死亡明显受到抑制 (C)。
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研究为什么细胞凋亡只发生在男性胚胎中下一代测序仪，我们综合分析了螺原体感染的雄性胚胎、感染的雌性胚胎、未感染的雄性胚胎和未感染的雌性胚胎中的表达基因，发现感染的雄性胚胎中DNA损伤/修复相关基因和凋亡相关基因的表达显着增加。
在之前的研究中作为抑癌基因而闻名p53 基因已知可诱导细胞凋亡以响应 DNA 损伤。当我们用螺原体感染缺乏 p53 基因的果蝇时，雄性胚胎的细胞凋亡受到抑制（图 2C）。这表明，在螺原体感染的雄性胚胎中，DNA 损伤可能通过 p53 途径触发细胞死亡。
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| 图 3 螺旋原体感染/未感染的果蝇雄性胚胎细胞中 DNA 损伤的定位 红色表示 X 染色体，蓝色表示其他染色体，绿色表示 DNA 损伤。 (A) 在未感染的男性中几乎没有发现 DNA 损伤。 (B) 在受感染的男性中，DNA 损伤主要在 X 染色体上检测到（箭头）。
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接下来，为了调查感染螺原体的雄性胚胎中 DNA 损伤发生在何处，我们对染色体上的 DNA 损伤位点进行可视化，发现它们集中在雄性 X 染色体上（图 3A、B）。当我们观察细胞分裂的过程时，我们发现雄性X染色体是子细胞
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| 图4 在感染螺原体的果蝇雄性胚胎中观察到的细胞分裂过程中X染色体的异常分离 红色表示 X 染色体，绿色表示其他染色体。 (A) 当其他染色体移动到两极并分离时，只有 X 染色体保持未分离（箭头）。 (B) 留下的 X 染色体被切割（箭头）。
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那么螺原体是如何识别男性X染色体的呢？果蝇雄性（XY）只有雌性（XX）X染色体的一半，已知基因剂量补偿复合物（一种具有使基因表达量加倍活性的蛋白质-RNA复合物）与X染色体的整个区域结合，从而调节基因表达量。当他们阻断果蝇雄性胚胎中基因剂量补偿复合物的形成时，他们抑制了螺原体感染的雄性胚胎的细胞凋亡。此外，当基因剂量补偿复合物被迫在雌性果蝇胚胎中表达时，雌性胚胎也会因螺原体感染而死亡。
换句话说，螺原体识别与基因剂量补偿复合物结合的雄性X染色体，引起DNA损伤，并在胚胎发育过程中通过p53途径特异性诱导雄性细胞死亡。结果，所有雄性卵子都会死亡，只有雌性卵子正常发育。
尽管我们已经阐明了螺原体杀死雄性的机制，但螺原体识别与基因剂量补偿复合物结合的X染色体并造成DNA损伤的具体分子机制仍不清楚。与 DNA 或染色体结合的毒素效应器分子和靶结构依赖性 DNA 降解酶是可能的候选酶，但我们将通过螺原体的基因组分析和感染螺原体的果蝇的代谢产物分析来阐明其分子实体。
雄性和雌性有用昆虫往往具有不同的工业价值。例如寄生黄蜂多种害虫被广泛用作天敌杀虫剂，但由于只有雌性才有能力通过在害虫体内产卵来杀死害虫，因此能够选择性地产生雌性将是有利的。预计这项研究成果的应用将导致能够分别生产雄性和雌性昆虫的技术的发展，并且从这个角度进行的研究也将得到发展。