毒は、自然の最も激しい適応の 1 つです。たとえば、地理学者のイモガイは、刺されたときに約 10 分の 1 ミリグラムの毒を注入するだけですが、これは 1 時間以内に人を殺すのに十分すぎる量です。これらのケミカル カクテルには、知られている中で最も強力な化合物が含まれており、その恐るべき力は歴史の黎明期から人々を畏敬の念を起こさせてきました。しかし、現代の遺伝学の進歩により、科学者は、そのような強力な毒素をコードする遺伝子がどのように発生するかを研究し、分子レベルでの進化の仕組みを垣間見ることができました。このような研究から、毒遺伝子が酵素、ペプチド、その他のタンパク質の遺伝子の偶然の複製と突然変異を通じてどのように進化するかについての現在の標準モデルが生まれました.
しかし、今日 Current Biology で発表された新しい発見 このモデルに異議を唱え、寄生バチ種の毒素遺伝子の大部分は、代わりに他の生理学的役割からの「副業」であることを発見しました。さらにエキサイティングな意味は、この発見が毒以外の化合物に関連している場合、自然が他の進化的解決策を急速に開発するために使用する経路である可能性があるということです.
ロチェスター大学の生物学教授であるジャック・ウェレン氏は、「私は非常に長い間寄生バチに取り組んできました。これらの動物に対する彼の魅力は、スズメバチが見事な生理学的操り人形師になることを可能にする特殊な毒に集中しています。寄生バチは、100,000 から 600,000 種の巨大なグループであり、幼虫のときに寄生し、生きたまま食べる宿主の上または内部に頻繁に生息します。自由に生きる大人として、彼らは行動を変える毒の助けを借りて、子供たちの宿主となる適切な生き物を見つけて征服しなければなりません.たとえば、エメラルド ゴキブリ ハチは、動物の脳内化学物質を操作することによって、手ごわいターゲット (自分の何倍ものサイズのゴキブリ) を空腹のスズメバチの子孫のための自己満足の食事に変えます。 グリプタパンテレス ハチはさらに進んで、イモムシの提供物をゾンビのボディーガードに変え、イモムシの組織から食べたばかりの若いハチを保護します.別のハチ、Reclinerellus nielseni 、そのクモの犠牲者にクモが死んだ後もスズメバチの幼虫を保護し続ける頑丈な巣に巣を変えるように強制します.
「寄生虫の毒は、完全に殺すのではなく、代謝を操作するように進化したため、研究されているほとんどの有毒動物の毒とはまったく異なります」とウェレンは説明しました.彼と彼の研究室の 2 人のポスドク研究員、エレン O. マーティンソンとムリナリーニ (現在はシンガポール国立大学) は、寄生虫毒の毒素の多様性と、それらの毒素がどのように進化するかを理解することに興味を持っていました。彼らとその同僚は、いくつかの近縁種のスズメバチのゲノムを組み立てることから始め、驚くべきことを発見しました。スズメバチの近縁種でさえ、毒遺伝子の約 30 ～ 40% しか共有していませんでした。この驚くべき数の少なさは、新しい種の進化が毒遺伝子の急速な転換を伴い、古い遺伝子が放棄され、新しい毒機能を持つ新しい遺伝子が突然出現したことを示唆していた。 「私たちの次の質問は、オーケー、何が起こったのですか?」ウェレンは言った。 「ピックアップされているこれらの遺伝子は、どこから来たのですか?そしてそれが、新しい遺伝子の機能はどのように進化するのかという幅広い疑問に私たちを導きました。」
ヘビ、クモ、および私たち自身にとって危険な他の種の研究に主に基づいて、ほとんどの毒遺伝子は、遺伝子複製とその後の突然変異および再目的化 (科学者はこれを新機能化と呼んでいます) のメカニズムを通じて生じると考えられています。このプロセスは、通常、卵細胞と精子の形成中に、タンパク質切断酵素などの潜在的に毒性のある機能を持つ分子の遺伝子が偶発的に複製されたときに始まります。元の遺伝子の生物学的義務を果たす負担から解放された余分なコピーは、ランダムな突然変異によって変化を蓄積することができます.これらの変化により、重複した遺伝子またはそのタンパク質が無価値になり、消滅する可能性があります。しかし、これらの変化によってタンパク質が変化し、有用な毒素になる場合があります。すると、毒毒素が生まれます。
しかし、Martinson、Mrinalini、Werren、および彼らの同僚が、密接に関連した 4 種の寄生バチの毒タンパク質と遺伝子を比較したとき、それは彼らが見たものではありませんでした。他の有毒動物の研究とはまったく対照的に、彼らは、遺伝子分析によって明らかにされた、最近動員された53の毒遺伝子のほぼ半分が単一コピーであることを発見しました。実際、重複と突然変異によって明らかに生じた毒素遺伝子は 10% 未満でした。
次に、チームは、これらの単一コピー遺伝子が、通常の非毒性の機能から毒素としての機能にどのように変化したかを理解したいと考えました.繰り返しますが、結果は驚くべきものでした。 「私たちが最初にこれを始めたとき、私たちは実際にこれをすべて間違って見ていました」とウェレンは言いました. 「私たちが見ているのは、毒としての遺伝子の急速な特殊化と、他の機能の喪失であると考えました。」しかし、スズメバチの体のどの組織が遺伝子を発現しているかを調べたところ、「そうではないことがわかりました」。
代わりに、ウェレンは、これらの単一コピー遺伝子の機能を、体の他の場所での「日中の仕事」に加えて、毒腺での「夜の仕事」を引き受けて、追加の現金を得る「副業」になぞらえました。遺伝子は、幼虫または成体の発達段階で、さまざまな組織である程度日常的に発現していました。毒腺は、遺伝子をはるかに豊富かつ着実に発現させただけです。その結果、スズメバチの体の他の場所で良性の生理機能を持っていた遺伝子のタンパク質は、毒液中で毒性のある濃度に達しました。 「それが、これの多くが表現の進化である理由です」とウェレンは説明しました。 「タンパク質はあまり変化していません。それを毒にするために変化しているのは、その表現パターンだけです。」
変化がないことも、毒遺伝子に期待されるものとは大きく異なります。複製と突然変異のモデルでは、多くの有毒動物が毒素の標的との軍拡競争に巻き込まれる可能性があるため、毒素が効果を発揮するには急速に進化する必要があるという仮定が暗示されています。毒が十分に速く進化しない場合、彼らが行動することを意図している捕食者または獲物は対抗手段を進化させ、毒性の利点を無意味にします.そして今日まで、他の種を研究している生物学者は毒遺伝子が猛烈なペースで進化するのを見てきました。例えば、イモガイが使用するコノトキシンは急速に変異することが知られています.
しかし、今回の発見は、ある宿主から別の宿主に切り替えるため、または現在の宿主と歩調を合わせるために、ハチが毒毒素遺伝子の突然変異を必要としないことを示唆しています。毒を素早く作るために遺伝子を取り込んで落とすことができればいいのです。
この結果は、科学者が毒素遺伝子の起源の主要な経路を見落としてきた可能性を開きます。 「これらの発見は、他の有毒動物が毒毒素を生成するために使用した可能性のあるプロセスに関連する重要な問題を提起します」と、上級講師であり、リバプール熱帯医学学校のアリステアリード毒研究ユニットのウェルカムトラスト研究員であるニコラスケースウェルは書いています。 Current Biology と一緒に公開された要約ディスパッチで 紙。 「遺伝子の複製と選択的スプライシングは通常、タンパク質の新機能化を支える主要なメカニズムとして引き合いに出されますが、この研究は、遺伝子が新しい機能を獲得できる潜在的に重要な方法として、コオプションのプロセスを再評価する必要があることを示唆しています。」
クイーンズランド大学の毒進化研究所の責任者であるブライアン・フライは、Quanta に電子メールで送信されたコメントで、この見解にほぼ同意しました。 .ウェレンと彼のチームによる研究は、「毒の進化について学べば学ぶほど、私たちがどれほど知識が乏しいかを理解することを強化する、非常に興味深い論文です。寄生バチは非常に奇妙な戦略を持っていることがすでに知られており、この論文はそれらがいかに独特に発散しているかを補強しています。」共同選択がより広く行われるかどうかを決定する必要があると彼は書いている.
バンゴー大学の講師である Wolfgang Wüster は、「毒の進化のありそうなメカニズムとしては特に思い浮かびませんでした」と認めた。彼はまた、この遺伝子進化のメカニズムが他の有毒グループで顕著であると確信していません. 「私はそれが異常なままであると思う」と彼は言った。 「著者が指摘しているように、寄生虫の毒は、ヘビ、クモ、イモガイなどのよく知られている略奪的または防御的な毒よりも、はるかに微妙で微調整された方法で作用します。」スズメバチの毒に対するその独特の生態学的役割は、これらの動物が他の有毒種とは異なる遺伝子進化のメカニズムに大きく依存している理由を説明することができます. 「長時間の麻酔は、何かを殺すよりもはるかに難しく、はるかに巧妙さが必要です。外科医に尋ねてください」と Wüster 氏は述べています。
Wüster のように、Werren は、毒遺伝子の中で共同選択がまれであるという考えを「調査しなければならない 1 つの仮説」であると考えています。それにもかかわらず、彼は、他の研究では進化上の近親者をほとんど比較していないため、この進化様式が過小評価されている可能性が高いと考えています。 「互いに非常に異なる種を見ると、遺伝子の特定のサブセットが共有され、他のものは共有されていないことがわかるかもしれませんが、実際には詳細な全体像は得られません.
「このプロセスはヘビではそれほど重要ではないかもしれません」と彼は言いましたが、「確実に言う前に、非常に密接に関連するヘビの種を調べるには、さらに多くの作業を行う必要があります.」
Werren は、遺伝子のムーンライトの役割は毒だけにとどまらないかもしれないと考えています。遺伝子のムーンライトは、発現の変化によってのみ発生する可能性があり、それはわずか 1 つの突然変異から生じる可能性があります。複製と新機能化モデルによって暗示されるランダムな変更と選択の蛇行プロセスは必要ありません。したがって、共同選択は、適応のためのはるかに迅速なメカニズムになる可能性があります。 「非常に急速に変化する環境を持つ種にとって、単一遺伝子の共同選択のこのプロセスはかなり重要かもしれません.あまり注目されていないだけです」と彼は言いました。
「これは一般的な機能ですか、それともこれらの特殊な臓器でのみ発生するものですか?」彼は尋ねた。 「今後数年間でその問題に取り組むことを楽しみにしていますが、特に生物が急速な選択を受ける場合、それはかなり広いメカニズムになると思います。」
「この論文は、生物学の喜びの 1 つを示すもう 1 つの優れた例です」と Wüster 氏は述べています。 「動物が何かを達成する方法の一般化を見つけたと思ったとき、それをまったく異なる方法で行う別の何かが現れます。」
訂正:この記事は 2017 年 6 月 26 日に改訂され、Mrinalini がこのプロジェクトの共同主任研究者であることを認めました。また、
当初は「100,000」と表示されていた寄生バチ種の数の下限が 100,000 に修正されました。
