進化生物学における最大の課題の 1 つは、断片的な証拠と、作用している力に関する限られた知識に基づいて生命の歴史をつなぎ合わせようとすることです。これは、進化の背景を形成する気候、地質学、生物の豊かなタペストリーです。たとえば、色覚を可能にする感光性分子はどのようにして生まれたのでしょうか?蛍光サンゴが最初は緑色で、その後虹色に多様化したのはなぜですか?
過去 10 年間で、古ゲノム学という新興分野の科学者は、これらの疑問のいくつかに答え始めるための新しい方法を開発しました。多くの生物の DNA 配列を比較し、逆方向に作業することで、遺伝子が新しい機能を進化させたときなど、古代のゲノムの歴史を推測できます。 「共有された遺伝子は、過去から生き残った情報の断片を表しています」と、ハーバード大学の研究員である Betul Kacar は述べています。研究者は、ステロイド ホルモンを検出するタンパク質など、多くの古代のタンパク質を、これらの分子が現代のアイデンティティを獲得するためにたどった経路をたどることによって再構築することができました。数年前、アトランタにあるジョージア工科大学の生物学者であるエリック・ゴーシェは、7 億年前のタンパク質を大腸菌から復活させました。
現在、古ゲノム学に新たなひねりを加えて、Kacar はその古代のタンパク質を現代の大腸菌に組み入れ、微生物がそれにどのように適応したかを追跡した。昨日シカゴで開催された NASA の宇宙生物学科学会議で Kacar が発表した新しいアプローチは、進化のメカニズムのより統合されたビューを提供します。全体。この種の洞察は、生物が気候変動やその他の擾乱にどのように反応するかを予測するのに役立ち、微生物が医療および産業用途のためにより正確に設計されることを可能にする実用的な意味も持つ可能性があります.
古代史
科学者たちは長い間、ある生物から別の生物にタンパク質を挿入することができました。これは、遺伝子工学の基本的な要素です。これが、研究者が微生物を操作して燃料や医薬品を作る方法です。しかし、これらの実験の結果は予測できない場合があります。 「まったく機能しないこともありますが、その理由がよくわかりません」と Gaucher 氏は言います。
伸長因子 Tu (EF-Tu) と呼ばれるタンパク質は、そのような厄介な例の 1 つです。高度に保存されており（地球上のすべての生命に存在する）、不可欠である（これがないと細胞が死ぬ）にもかかわらず、柔軟性に欠けています。 EF-Tu タンパク質の酵母またはショウジョウバエ バージョンを大腸菌に入れてもうまくいきません。 「これは生命の中で最も高度に保存されたシーケンスの 1 つですが、生命体間で交換することはできません」と Gaucher 氏は述べています。 「変だな」
Kacar と Gaucher は、おそらく 7 億年前の大腸菌の祖先に由来する古代バージョンのタンパク質の方が、異なる種の現代バージョンよりもうまく機能するだろうと推論した.ゴーシェはそれを、英語を話すアメリカ人を現在の北京や 1980 年代のニューヨークに放り込むようなものだと例えています。旅行者はおそらく、言語と文化の両方が大幅に異なる中国の都市よりも、アメリカの都市をナビゲートする方が簡単でしょう.
祖先バージョンの構造を推定するために、Gaucher は EF-Tu タンパク質を生成する遺伝子のすべての既知のバージョンの配列を比較し、高度な計算および統計手法を使用して遺伝子の最も可能性の高い配列を推測しました。その後、Kacar はその遺伝子を合成し、既存のバージョンの代わりに大腸菌に挿入しました。 (彼女は、この遺伝子が 7 億年の眠りから覚めたことから、Rip Van Winkle にちなんで、この雑種を Rip 系統と名付けました。)
雑種大腸菌は、明らかに古風な成分に苦しんでいた。交配種は通常の交配種よりも成長が遅く、子孫の数が 25% 少なくなっています。現代のラップトップのプロセッサが 1980 年代のコンピューター チップに置き換えられた場合に性能が低下するのと同じように、微生物の現代の分子機構は、古代バージョンのタンパク質にはまったく適していませんでした。これは、EF-Tu がハブタンパク質であり、細胞内でその機能を実行する際に 50 以上の他のタンパク質と相互作用するためです。 「私たちが古代の形をとったとき、私たちは間違いなくそれらの相互作用のいくつかを混乱させています」とゴーシェは言いました.パートナー タンパク質は、過去 7 億年にわたって独自の進化的変化を遂げてきました。古いチップではなく、ラップトップの最新のコンポーネントで動作するように設計されています。
ただし、コンピューターとは異なり、バクテリアはすぐに元に戻りました。 Kacar は実験室で雑種を育て、数百世代ごとにその成長率やその他の要因をチェックしました。約 500 世代の 2 か月以内に、雑種大腸菌は現代の大腸菌と同様に成長しました。これらの生存株は、時代遅れのタンパク質によって引き起こされる問題を克服する方法を進化させたに違いありません.しかし、どのように?
償いをする
他の実験では、操作されたタンパク質を新しい環境に挿入しました。試行錯誤を繰り返しながら、タンパク質はまったく同じ経路をたどって進化します。あたかも進化が、同じ結果を生み出すために何度も再実行できるテープ記録であるかのようです。 Kacar と Gaucher は、この場合も同様の結果を予想していました。 「古代の遺伝子は直接の祖先であるため、現代の大腸菌遺伝子配列のように見える突然変異を単純に蓄積するだけだと単純に考えていました」とゴーシェ氏は述べた。
彼らは間違っていました。彼らが研究した 8 つの大腸菌株すべてで、EF-Tu タンパク質は変化していませんでした。代わりに、7つの菌株がタンパク質の使用方法を変更しました.具体的には、大腸菌が遺伝的変化を起こし、標準以下のタンパク質をより多く排出するようになりました。 「古代のタンパク質をより多く作ることで、細胞は破壊されたタンパク質間相互作用を再確立することができます」とゴーシェは言いました.
8 番目の菌株では、EF-Tu と相互作用するタンパク質の一部が変更され、古いバージョンによりよく結合できるようになりました。それはあたかも最新のラップトップのソフトウェアが時代遅れのプロセッサでよりうまく動作するように適応したかのようでした. 「生き残り、遺伝子を次の世代に伝える生物は、現代バージョンに戻るのではなく、それと相互作用する他のタンパク質を変更することによって、古代バージョンの挿入に対処しているようです」と、アーロン・ゴールドマンは言いました。オハイオ州オーバーリン カレッジの計算生物学者であり、この研究には関与していません。
この発見は、進化における現在進行中の議論に情報を提供します:適応は、タンパク質を作る遺伝子の部分への変化を通して進むのか、それとも、いつ、どこで、どのくらいのタンパク質が作られるかを制御する、ゲノムのいわゆる調節領域への変化を通して進むのでしょうか?要するに、進化はタンパク質自体の変更に最も依存しているのか、それとも細胞がタンパク質を使用する方法を変更することに依存しているのか?
生物学の複雑な世界ではよくあることですが、Kacar の結果は答えが両方であることを示唆しています。しかし、調節変異は、フィットネスを改善するためのより簡単なルートを提供する可能性があります.タンパク質の生産を促進することは、タンパク質自体のより効率的なバージョンを作成するよりも簡単です.
ネットワーク ハブ
Kacar の実験は、古代バージョンのタンパク質を生物にうまく挿入し、その後進化させた最初の実験のようです。これは非常に複雑な試みであり、試験管内でタンパク質を機能させるよりもはるかに困難です.マサチューセッツ工科大学の地球生物学者であるグレッグ・フルニエ氏は、古代のタンパク質が現代の環境でまったく機能するという事実自体が重要であり、研究には関与していないと述べた.
しかし、その環境により、科学者は EF-Tu ハブを取り囲む複雑なネットワーク全体の進化を研究することができます。 「私たちは進化について考えるとき、生物や遺伝子のレベルで考える傾向があります」とゴールドマンは言いました。 「しかし、彼らはその中間レベルを物語る結果を捉えました。」これにより、大腸菌の細胞機構のさまざまな構成要素である分子状況が進化にどのように影響するかについての洞察が得られます。
50 を超える他のタンパク質が結合するハブタンパク質として、EF-Tu は変化に抵抗力があるようであり、代わりにその分子パートナーを適応させます。これは、ネットワーク内のタンパク質の位置が、それが保存される可能性が高いか、時間の経過とともに順応性があるかどうかを決定することを示唆しています、とゴールドマンは言いました. 「私の知る限り、これはそのプロセスの最初の本当に明確なビューです。」
大腸菌のユニークな 8 番目の菌株 — 他のタンパク質が進化したもの — は、研究者に細胞内での EF-Tu タンパク質の役割についての洞察をすでに与えています。古代バージョンに適応したタンパク質を調べることで、Kacar と共同研究者は EF-Tu の新しい結合パートナーを特定することができました。 「Betul の研究で特に興味深いのは、ミュータント スクリーンが新しい相互作用パートナーをどのように特定したかということです」と Fournier 氏は述べています。
これらのパートナータンパク質は、古代の移植と一致するように時間をさかのぼった可能性があり、研究者が古代の分子ネットワークをつなぎ合わせることができるかもしれないという期待を高めています. 「古代の遺伝子を復活させて理解することはできません」とカカールは言いました。 「古代の代謝経路を復活させる必要があります。」
Kacar は次に、同じアプローチをより広く適用することを計画しています。彼女は、スウェーデンのウプサラ大学の共同研究者と共に、現代の大腸菌遺伝子をより古いバージョンに置き換えるだけでなく、他の種からの外来バージョンを挿入することも計画しています。時間をさかのぼったり、進化ツリーで大腸菌から離れたりしながら、進化のパターンを探します。これらは彼女の証拠の断片であり、遠い過去の遺物です:生きていて順応性があり、人生の物語を明らかにすることができます.
