それらは最初は見えません。東南アジアの森の生息地で、彼らは細胞の細い鎖として成長し、時には10メートル以上の長さの外来繊維が、ブドウの宿主の重要な組織を織り込み、それらから栄養を吸い上げます.顕微鏡下でも、一列に並んだ細胞列はブドウの木のものとほとんど見分けがつきません。植物というより菌類のようです。
しかし、繁殖への衝動が目覚めると、ラフレシア科のメンバーは、水玉模様で覆われた巨大で茎のない、ゴムのような赤い「死体の花」として噴出し、腐った肉のような腐敗臭があり、受粉を行う腐肉バエを引き寄せるために設計されています。 1 つの種の花、Rafflesia arnoldii 、世界最大の花です。それぞれの直径は 1 メートルを超え、重さはなんと 10 キログラムにもなり、おおよそ幼児の重さです。
10 年以上前、ラフレシア科の寄生虫は、ブルックリンにあるロングアイランド大学の進化植物生物学者である Jeanmaire Molina の目にとまりました。彼女の最初の調査は、彼らがそうであることを示唆していました。彼女と彼女の同僚が Molecular Biology and Evolution の 2014 年の論文で説明したように 、彼らはフィリピンの 1 種の Rafflesia からミトコンドリア DNA を組み立てることに成功しました。 .しかし、葉緑体から機能遺伝子を検出することはできませんでした。植物は葉緑体ゲノム全体を単純に捨てたように見えた.
それはほとんど考えられませんでした。葉緑体は、光を使って食物を作ることで最もよく知られていますが、色素体と呼ばれるすべての食物を作るオルガネラと同様に、多くの重要な細胞プロセスに関与する遺伝子を含んでいます. Molina は、マラリア原虫でさえまだ色素体ゲノムを持っており、最後の光合成祖先は数億年前に生きていたと述べています。
この衝撃的な発見は、ハーバード大学の独立した研究チームによって確認されました. Current Biology で最近公開されたラフレシア科の別のメンバーのドラフト ゲノム は驚きに満ちており、寄生虫が余分な遺伝子を排出し、宿主から有用な新しい遺伝子を獲得するのにどれだけのことができるかを示しています。また、進化的変化を可能にするタンパク質をコードしない高度に可動性の遺伝的要素の役割についての謎も深まります。おそらく、この研究の最大の教訓は、特に植物と寄生虫 (知られているすべての種の 40% 以上を含む生物のカテゴリ) について、ゲノミクスについてまだどれだけ学ばなければならないかということです.
負けて勝つ
Molina のように、ハーバード大学の生物および進化生物学の教授であり、ハーバード大学ハーバリアの維管束植物のキュレーターである Charles Davis は、ラフレシア科の研究に引き込まれました。と彼は言いました。
彼は 15 年近くにわたり、それらの多くの秘密を明らかにしようとしてきましたが、核ゲノム配列は常にとらえどころのないものでした。最後に、彼の博士課程の学生である Liming Cai (現在はカリフォルニア大学リバーサイド校の系統生物学のポスドク研究員) がプロジェクトの先頭に立ち、大学の情報学グループとバイオインフォマティクスのディレクターであるティモシー サックトンの助けを借りて、チームはサプリア ヒマラヤナのドラフト ゲノムをついにまとめることができました 、人間の頭の大きさの花を持つ種。
サプリア のゲノムは、他の多くの寄生植物 (およびより一般的な寄生虫) で見られるいくつかの傾向に従います。彼らのように、サプリア 自由生活の親戚に不可欠と考えられている多くの遺伝子を排除しました。寄生虫は宿主から盗むため、本質的に代謝の労働を外部委託するため、独立した植物細胞のすべての動く生化学的部分を必要としません.
それでも、Davis は、植物系統全体で広く保存されている遺伝子のほぼ半分が Sapria から消失したことを知ってショックを受けました。 これは、ドダーと呼ばれる寄生植物 (クスクタ属 Cuscuta) から失われる遺伝子の 2 倍以上です。 ）、穀物を枯らす魔女雑草（ストライガ属 Striga の 4 倍の損失） ）。 「損失があることはわかっていましたが、遺伝子の 44% 程度になるとは思いませんでした。」
モリーナが ラフレシア に取り組んでいる色素体ゲノム全体の驚くべき削除に加えて、 提案していました。そのゲノムを投棄したことが知られている唯一の他の生物は、Polytomella 属の単細胞藻類です。 、周囲の水から栄養を吸収するために光合成をあきらめました.
Molina は、彼女のチームの調査結果が「慰め」であることが確認されたが、混乱もしていると述べた。 Rafflesia まだ色素体コンパートメントを作っているようです。 「私たちが電子顕微鏡研究を行ったとき、プラスチドが見つかりました。そのため、プラスチドが空であることは非常に奇妙です。」
サプリア また、他の遺伝的コーナーをカットしたようです。植物は、多くの遺伝子内の非コード領域の DNA を削除しています。イントロンと呼ばれるこれらの領域は、生成される実際のタンパク質をコードする遺伝子の一部に散在しています。
サプリアのように聞こえるかもしれません とその親族は、単にゲノムをより小さく、より効率的にしました。しかし逆説的に、サプリア のゲノムは大きく、合計で推定 3.2 から 3.5 ギガベースの DNA であり、私たちのゲノムとほぼ同じサイズです。そのゲノムを埋めているのは何ですか?
窃盗の人生
まず、盗まれた遺伝子が搭載されています。 Davis のチームは、植物の遺伝子の少なくとも 1.2% が他の種、特にその宿主、過去と現在に由来すると推定しました。それは印象的ではないかもしれませんが、この種の水平遺伝子伝達は、細菌以外では非常にまれであると考えられています.したがって、このようにして発生する遺伝子が 1% であっても眉をひそめます。
これらの寄生虫は何千年もの間遺伝子を盗んできたため、そのゲノムは「DNA の巨大な墓場」のようなものである、と Cai は指摘した。その墓地を慎重に掘り起こし、その内容を潜在的な宿主と思われる 10 種類のつる植物のゲノムと比較することで、Cai と彼女の同僚は時間をさかのぼることができました。 「これらの水平に伝達された遺伝子は DNA 化石として機能しています」と彼女は言いました。
これらの化石から、彼らは「おそらく白亜紀中期にさかのぼる、絶滅した宿主と寄生虫の関係」を発見したと彼女は述べた。今日、ラフレシア科の約 40 種の知られている種はすべて、1 つの属 Tetrastigma のブドウの木に蔓延しています。 .しかし、寄生虫が Tetrastigma に蔓延するずっと前に 、彼らはコショウのつるに侵入して盗んだようです（属 Ampelopsis ）。この種の生態学的歴史は、石の化石から推測することはほとんど不可能です。寄生虫の花は長くは続かず、植物体の細い糸のような残骸は化石化する可能性は低いです.
繰り返す進化
それでも、盗まれた遺伝子は Sapria のごく一部にすぎません の巨大なゲノム。その大部分は、転移因子 (トランスポゾンまたは「ジャンピング遺伝子」としても知られています) と呼ばれる DNA 配列のコピーで構成されています。 「この植物のゲノムは、90% の繰り返し要素のようなものです」と Sackton 氏は述べています。
実際、その高いレベルの反復が、Sapria のドラフト ゲノムを組み立てるのに Davis が長い間苦労した理由です。 .過去 10 年頃まで、ゲノム配列決定技術は、見分けがつかない反復配列が多すぎる DNA によって容易に妨害されていました。 「それは、すべてのピースがまったく同じ形である、完全に澄んだ青空のパズルを解こうとしているようなものです」と Sackton 氏は言います。 「それを行う方法はありません。」
しかし、Cai と同僚は、現在の配列決定技術を利用することができました。この技術は、はるかに長い (したがって、より特徴的な) DNA ストレッチを処理できます。それでも、サプリアの 40% と推定されるものしか再構築できませんでした。 ゲノム — 残りはまだ反復的すぎました.
セントルイスにあるドナルド・ダンフォース植物科学センターの植物生物学者で、植物の転移因子の機能を研究しているサイマ・シャヒードは、この豊富な転移因子は驚くべきものであると述べています。ドダーに見られるものの約2倍です。また、これまでに配列決定された他の植物寄生虫では、優勢な要素は「レトロトランスポゾン」であり、最初に RNA に転写されることによってゲノム内を移動します。 サプリア しかし、ほとんどの場合、自分自身を直接ゲノムにコピー アンド ペーストする DNA トランスポゾンで満たされています。 「これは非常に興味深く珍しいことです」と Shahid 氏は言いました。
しかし、なぜサプリア そもそもジャンプする遺伝子がそんなにたくさんあるの？まだ誰にも確信はありませんが、その答えは、寄生虫ゲノミクスに対する私たちの理解を変えるかもしれません.
転移因子は「利己的な」遺伝子と見なされます。それらは、占有するゲノムを犠牲にしてでも複製します。そのため、宿主ゲノムは通常、その発現を抑制します。 「ほとんどの場合、彼らは沈黙を狙っています」と Shahid 氏は言います。ラフレシア科の規制が何らかの形でうまくいかなかったか、寄生虫がこれらの要素を飛び回らせることに何らかの利益を見出しているようです。
Cai、Davis、および Sackton は、トランスポゾンが過剰に存在するのは、これらの寄生虫がもたらす孤立した生活の結果であるという予感を持っています。ラフレシア科は Tetrastigma のみに侵入するため ブドウの木の各パッチは、寄生虫の住民を隔離する無人島です。成長が制限され、外部からの遺伝子流入がほとんどない小さな集団では、役に立たない遺伝的特徴でさえ、全くの偶然によってよりありふれたものになる可能性があります.これは、転移因子の有害なコピーでさえ「時間の経過とともに蓄積する」ことを意味する可能性があると、Cai 氏は述べています。
別の可能性は、寄生虫がジャンプする遺伝子のジャンプを止めることができないということです。これらの要素の一部は宿主に由来するものであり、寄生虫の遺伝子機構がそれらをすぐに認識して沈黙させることができないほど十分に異なっている可能性があります. 「基本的には外来種のようなものです」とサックトンは言いました。
また、寄生虫がどれだけの遺伝物質を獲得したかを考えると、無駄な DNA の余分な負荷に対する耐性を高める適応を進化させたため、これらのジャンプ遺伝子を取り除くのに十分な選択圧力がなかったことも考えられます.
しかし、Shahid にとって、遺伝子の損失、遺伝子内の非コード配列、色素体ゲノム全体など、これほど多くの合理化の兆候を示しているゲノムが、ゲノムの自重を軽視することは意味がありません。さらに悪いことに、転位可能な要素は危険です。「それらを沈黙させるには、多くのエネルギーを費やす必要があります」と彼女は言いました。彼女は、これらのトランスポゾンが寄生虫のために何かをしている可能性が高いことを発見しました。問題は何ですか。
彼らの存在は、盗まれたすべての遺伝子と結びついている可能性があります。 Shahid 氏によると、トランスポゾンがジャンプすると、しばしば近くの DNA の断片が一緒に持ち込まれます。 「これらの転移因子は、遺伝子断片を運び、それを自分のゲノムに挿入するのを助けている可能性があります」と彼女は言いました.
トランスポゾンは、寄生虫が生き残るために必要な水平遺伝子伝達を駆動するエンジンである可能性があります。たとえば、寄生虫が宿主の重要な遺伝子調節因子の一部を盗むのを助けるかもしれません.
Nature の 2018 年の論文 、Shahidと彼女の同僚は、ドッダーと呼ばれる寄生植物が、宿主の遺伝子の一部に対する「オフ」シグナルとして、小さなマイクロRNA分子を周囲の宿主細胞に輸出することを示しました。これらのマイクロRNAコントロールは、ジャンピング遺伝子の助けを借りて寄生虫に侵入した可能性があります. (ただし、Sapria かどうかはまだ誰も調査していません。 およびその近縁種は、休眠期にマイクロRNAを輸出します。)
トランスポゾンは、他の方法で遺伝子調節に影響を与えることができます。たとえば、イントロンに挿入すると、遺伝子の発現を増強したり、阻害剤を誘導して遺伝子をシャットダウンしたりできます。 サプリアで 、すべてのイントロンの長さが短縮されたわけではありません.一部は100キロベース近くまで拡張されており、どの植物からも知られている最長のイントロンになっています.そして、転移因子はすべての拡張の 74% を担っています。
転移因子は、ゲノムのチャンクを移動させる可能性もあり、これは危険なほど不安定になる可能性がありますが、遺伝子の複製と革新につながる可能性もあると Shahid 氏は述べています。これは、寄生虫が宿主の防御の一歩先を行くのに役立つかもしれません.トランスポゾンは、ラフレシア科のいくつかのユニークな特徴にも関与している可能性があります。Molina は、トランスポゾンが「大きな花と何か関係があるのではないか」と考え始めています.
これ以上の情報がなければ、ラフレシア科の転位因子の膨大なキャッシュのうちどれが機能しており、どれだけがゲノムの雑然としているのかを判断することは不可能です. Shahid は、これらすべての真相を突き止める 1 つの方法は、さまざまな種類の転移因子が他のゲノムの特徴と関連してどこに位置するかを詳しく調べることかもしれないと述べた。これは、要素が遺伝子発現において極めて重要な役割を果たしているかどうかを明らかにするのに役立つ可能性があります.彼女はまた、これらの転位因子が発現しているかどうか (あるいはいつ発現する可能性が高いか) も確認したいと考えています。これは、ゲノムにおけるそれらの潜在的な機能の手がかりにもなる可能性があるためです.
好奇心を育む
これらの花の奇妙さをさらに研究すれば、色素体から跳躍遺伝子まで、あらゆることについて多くのことを知ることができるかもしれませんが、植物が不足しているため、これらの疑問を解明することははるかに困難です。それらを見つけるには、しばしば危険なジャングルの奥深くまで何時間もトレッキングする必要がある、とモリナは説明した.フィリピンでは、武装した反乱軍が隠れていることが多い森林で発見されています。「安全であることを確認するために、市長と調整する必要があります」過酷なフィールドワークはさておき、これらの花が生育する国では、植物が絶滅の危機に瀕していることもあり、輸出を制限することがよくあります.
その希少性のため、モリーナはワシントン D.C. の米国植物園と協力して、これらの寄生虫とその宿主ブドウを国内で栽培しています。ワシントンで成長して開花するように誘導することで、世間の注目を集めることができます。彼女は、人々がそれらを直接見ることができるようにすることで、保全活動に役立ち、より詳細な研究が可能になると考えています.しかし今のところ、植物が何であるかの定義を広げるこれらの寄生虫は、秘密を守っています.
