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細胞内の遺伝的闘争が新しい種を生み出す可能性がある


人間や他の生物の複雑な細胞では、2 つの異なるゲノムが協力して生命を維持しています。何千もの遺伝子をコードする DNA を含む大きなゲノムは細胞核に存在し、はるかに小さなゲノムのコピーは、ミトコンドリアと呼ばれるエネルギーを生成するすべてのオルガネラに存在します。通常、彼らは静かに同盟を結んでいます。

しかし、過去 5 年間、科学者はこの 2 つのミスマッチの結果に注目し始めました。新たな証拠は、この「核分裂の衝突」が生物間のくさびを動かし、1 つの種を 2 つに変える可能性があることを示しています。分裂核紛争が種分化の力としてどのくらいの頻度で作用するかを言うのは時期尚早ですが、研究者たちは、その緊張関係をよりよく理解することが、明らかに類似したいくつかの個体群を異なる種に分けるバリケードについての謎を解決するのに役立つかもしれないことに同意しています.

15 億年以上前、古代のバクテリアが仲間の単純な細胞の中に寄り添いました。侵入者を消化する代わりに、より大きなセルは、それが生成した貴重なエネルギーのために侵入者をくっつけさせました.代わりに、侵入者は捕食者からの避難所と保護を得て、何千世代にもわたってミトコンドリアに進化し、ATP と呼ばれる分子の形でエネルギーを生成します。このようにして、複雑な真核細胞が始まりました。これは、生命の最も成功した試みの 1 つに進化した原始的なパートナーシップです。

ミトコンドリアの起源の証拠は、ミトコンドリアが今も保持しているレムナント ゲノムで生き残っています。これは、細菌と非常によく似た DNA の小さなリングです。何億年もの間、ミトコンドリア遺伝子の一部は真核細胞の核内の長い線形ゲノムに移動しましたが、ミトコンドリアはオルガネラの機能に不可欠なままの少数の遺伝子に依存していました. (人間のミトコンドリアは 37 個の遺伝子しか持っていません。) 細胞は、ミトコンドリアと核の両方の遺伝子からのビルディング ブロックを使用して、ミトコンドリアが ATP を生成するのを助けるタンパク質複合体を組み立てます。これには、核とミトコンドリアのゲノムが連携して協調して適応することが必要です。

ますます多くの研究が、その共適応を生物の健康と生存に不可欠であるがほとんど見落とされている要因として指摘しています.オーバーン大学の鳥類学者兼進化生物学者であるジェフリー・ヒルは、「そして、それは種と自然選択の概念に大きな意味を持っています。」

相性の悪いいとこ

過去 40 年間、海洋進化の遺伝学者であるロン バートンは、Tigriopus californicus という名前の小さな甲殻類を探して、水族館の魚網で武装して太平洋岸沿いの潮だまりに忍び寄ってきました。 .このオレンジ色のカイアシ類の個体群は、バハ カリフォルニア半島からアラスカにかけて生息しており、バートン氏はこれまでのキャリア全体を、これらのグループ間の遺伝的差異の研究に費やしてきました。当然のことながら、バートンがサンディエゴのスクリプス海洋研究所の研究室の外で見つけたカイアシ類は、アラスカの海岸の北 2,000 マイル以上にあるものよりも、彼がバハ カリフォルニアの潮だまりからすくい上げた標本に近縁でした。 Burton は、彼らの遺伝的違いがどのような意味を持つのか疑問に思いました.



それを調べるために、彼と彼の同僚は、海岸沿いでサンプリングされた個体群からカイアシ類を繁殖させました。彼らは、同じ個体群からカイアシ類を繁殖させただけではありません。彼らはまた、異なるグループの男性と女性をまとめました。 1980 年代後半に研究所がこれらの実験を開始したとき、これらのハイブリッド子孫の最初の世代である F1 は正常で健康に見えました。しかし、その後 Burton が F1 世代を繁殖させたとき、問題が発生しました。

その第 2 世代である F2 は、非ハイブリッドのように若い世代が少なく、いくつかの環境ストレスに耐えられませんでした。これらの結果は、地理的に離れたカイアシ類の個体群間の交配は技術的には可能であるものの、野生での雑種の子孫の長期的な生存に対して進化カードが積み重ねられていることを意味していました.

研究者たちは、なぜ第 2 世代の成績が悪かったのかを知りたがっていました。 Burton にとって、ミトコンドリアの問題だけがこれらの困難を説明できる可能性があります。彼の以前の研究は、T.の核ゲノムだけではないことを示していました。カリフォルニクス 個体群によって異なり、ミトコンドリアのゲノムも異なります。ミトコンドリアが適切に機能するには、両方のゲノムによって作られるタンパク質の相互作用が必要であるため、バートンは、ミトコンドリアと核 DNA の間のミスマッチが F2 の問題の中心にあると仮定しました。

「ミトコンドリアの機能について考えている人々は進化生物学者ではなく、進化生物学者はミトコンドリアについて考えていなかったので、誰もこれら 2 つの考えを実際にまとめていませんでした」と Burton は言いました。彼のカイアシ類と彼の推測は、自然淘汰の力が生命の中心的なプロセスの 1 つにどのように作用するかを明らかにしました。

自然淘汰による進化は、ゲノムの変異性にかかっています。 DNA が石で書かれている場合、自然淘汰はどのように作用するかについてバリエーションがありません。 1960 年代にミトコンドリアのゲノムが発見されてから間もなく、科学者たちは、この DNA によってコードされる遺伝子が細胞機能の中心にあるため、自然選択によるさらなる形成に抵抗しなければならないという仮説を立てました。自然の力には実験する余地がありませんでした。またはその理論は行きました。

「これは悪い考えだといつも思っていました」とバートンは認めました。代わりに、ミトコンドリア DNA は研究者が考えていたよりもはるかに変異しやすいという証拠が明らかになりつつあります。ミトコンドリア DNA には、DNA のエラーをチェックして修復する機能がないため、動物では、核の DNA に比べて平均で 10 倍の頻度で変異します。 (違いはかなり異なります。カイアシ類では、ミトコンドリア DNA は 50 倍の頻度で変異します。) その変異性は、何でもうまくいくという意味ではありません。ミトコンドリアに作用する保守的な進化の力は非常に強力であるため、ミトコンドリアの DNA 配列に間違った変更を加えると問題が生じる可能性があります。ミトコンドリアの欠陥によって引き起こされるミトコンドリア病の重症度を目の当たりにしてください。これは、ヒトでは発作、脳卒中、発育遅延、さらには死を引き起こす可能性があります.

進化生物学者にとって、この高い突然変異率は興味深い問題を提起しました。核ゲノムは、このミトコンドリアの多様性とそのパートナーシップの妨害にどのように反応するのでしょうか?さらに、生物は核ゲノムのように両親からではなく、母親からのみミトコンドリア DNA を継承します。この異なる遺伝パターンにより、ミトコンドリア遺伝子は核 DNA とは異なる進化のアジェンダになります。

ウプサラ大学の進化遺伝学者で研究者でもあるエリナ・イモネンは、「あるゲノムにとって良いことは、他のゲノムにとって良いことではないかもしれません。 「男性と女性はまた、異なる進化上の関心を持っている可能性があります。」

ミトコンドリアと核のゲノムに対する進化力の不一致は、バートンの F2 カイアシ類で見られる可能性があります。彼は細胞からミトコンドリアを抽出し、ATP の形でミトコンドリアのエネルギー出力を測定しました。 F2 ハイブリッドは、非ハイブリッドの対応物よりも大幅に少ない ATP を生成しました。これは、ミトコンドリアの機能不全を明確に示しています。

研究者が F2 オスを元の母体集団のメスと交配させたときに、有糸分裂の競合が確認されました。この「戻し交配」は、正しい核遺伝子と歴史的に正しいミトコンドリア遺伝子を再びペアにし、結果として得られた F3 世代を救った。 (ミトコンドリアは母親からのみ受け継がれるため、父親からの戻し交配は有益な効果をもたらしませんでした。)

これらの実験は、野生動物における有核分裂の重要性に関する最初の証拠のいくつかを確立しました。ショウジョウバエの他の研究キイロショウジョウバエ は、ミトン核紛争の別の側面を明らかにしました。オーストラリアのモナッシュ大学のJonci Wolffらは、オスのハエに放射線を照射して多数のDNA突然変異を発生させ、これらのハエを、同一の核ゲノムを持つが6つの異なるミトコンドリアゲノムの1つを持つメスと交配させた. 4 月に bioRxiv に掲載された論文で研究者が説明したように、孵化した各雌の卵の割合は、雌が保有するミトコンドリア ゲノムによって異なりました。

この結果は、ミトコンドリアゲノムが通常 DNA 修復経路で主要な役割を果たしていることを示していますが、ミトコンドリア DNA の変異が核 DNA との相互作用の程度に影響を与える可能性があることも示しています。 「ゲノムのサイズが小さいことと、ミトコンドリアの重要性との間には大きな違いがあります」と Wolff 氏は述べています。

これらの研究のいずれも、この力が生物のグループを 2 つの別々の種に分割できることを示すには十分ではありませんでした。その証拠はオーストラリアの東海岸沿いにありました.

集団間の有糸分裂のくさび

果てしなく続く青い太平洋を越えた長い旅の後、オーストラリアに最初の太陽の光が当たると、イースタン イエロー ロビンの銀色の花びらが彼らを熱狂的に迎えます。アメリカのコマドリが米国にいるように、イースタン イエローはメルボルンからブリスベンまでの一般的な裏庭の鳥であり、その明るい黄色の腹は青灰色の頭と背中に対して色の閃光を提供します.約200万年前、一般的な裏庭の鳥は、ビクトリアとニューサウスウェールズ州のより温暖な気候に住む南部のグループと、より熱帯のクイーンズランドに住む北部のグループに分かれ始めました.縄張りが非常に大きいため、北と南のロビンのほとんどが別々に保たれています。



進化生物学者のエルナン・モラレスがモナッシュ大学の大学院生だったとき、彼はイースタン イエロー ロビンの DNA の配列を決定しました。彼のシーケンスは、約 270,000 年前から、寒くて湿った海岸沿いの鳥が、より暑く乾燥している内陸に住んでいた鳥から分岐し始めたことを示しました。モラレスは、沿岸グループと内陸グループが、ミトコンドリアのゲノムと、エネルギーを生成する電子伝達鎖のタンパク質への少数の変化を含む、核ゲノムのごく一部が異なることを発見しました。彼は、ミトコンドリアと核のゲノム間の相互作用が、沿岸のロビンと内陸のロビンを引き離す潜在的な楔として興味を持つようになりました.

バンダービルト大学の遺伝学者モーリック・パテルは、「これはミト核共進化の非常に良い例であり、ミトコンドリア機能を持つ核遺伝子がこの地理的分布を持っているかどうかを尋ねるのに最適なシステムです」と述べています。 「これが見つかった場合、ミトコンドリア遺伝子と核遺伝子の間に共進化があったことを示唆しています。」

Morales と同僚は、沿岸と内陸の鳥の間で異なる 565 の遺伝子マーカーを特定しました。これらの違いの多くは、ミトコンドリア遺伝子と相互作用する核遺伝子をコードする染色体領域に集まっています。自然淘汰によってこれらの遺伝子周辺の多様性が取り除かれ、これは沿岸と内陸の鳥が適合する核遺伝子とミトコンドリア遺伝子の狭い組み合わせにたどり着いたことを示唆していた.この組み合わせは非常に特殊であるため、間違った組み合わせのハイブリッドが選択される可能性が高く、これにより、ロビンの沿岸と内陸の個体群が大きく分離されます.これらの沿岸の鳥と内陸の鳥を別の種と呼ぶのは簡単ではありませんが、地域の条件に適応し、互いに区別されているようです。 (現在スウェーデンのヨーテボリ大学にいるモラレスと彼の同僚は、6 月に bioRxiv でこの研究の説明を発表しました。その論文は科学雑誌で審査中のため、モラレスは Quanta 彼の仕事について。)

ブリティッシュ コロンビア大学の進化生物学者であるダレン アーウィン氏は、「ミトコンドリアと核のゲノムは異なる経路をたどり、雑種を選択し、新しい種に必要な生殖隔離を作り出す可能性があります」と述べています。

オーバーンのジェフリー・ヒルにとって、モラレスの研究は主要な進化の力としての有糸核共適応の重要性を指摘しています。 The Auk の 4 月の記事 、Hill は、彼が mitonuclear 種の概念と呼んだものを概説しました。これは、種は、共適応したミトコンドリアと核のゲノムを持つ生物のグループであると述べています.

「これは他のアイデアの補足ではありません。これはあなたが得るのと同じくらい重要です」とヒルは言いました.

Burton は、有核分裂と共適応が強力な進化の力になり、新種の形成を助けるものでさえあるという考えに異議を唱えていません。しかし彼は、核分裂だけで新しい種が生まれるという考えを支持する十分な証拠が存在しないと警告している.また、研究者は十分なシステムを研究し、十分な配列決定やその他の実験を行って、有核分裂が実際にどのように一般的であるかを自信を持って言うことができませんでした.

イモネンはその見解に同意した。 「陪審員はまだこれについて出ていません」と彼女は言いました.

バートンとパテルの両方がその重要性を信じているこのアイデアが支持されれば、種がどのように進化するかについての根本的な新しい洞察を提供するでしょう. 「科学者たちはミトコンドリアがいかに重要であるかを知っています。しかし、この研究は進化におけるミトコンドリアの重要性を示しています。」



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