ジョー・パーカーの実験室のガラス皿の底には、米粒ほどの大きさしかない小さなコガネムシが危険なほど露出しているように見えた。アリの下顎が大きく開き、カブトムシを捕まえようとしました。突然、カブトムシの腹部が反り返り、何かが起こりました。何かが起きて、アリが後ずさりし、足と触角が揺れました。カブトムシはすぐに逃げ出し、部屋の別の場所に少なくとも一時的に避難しました.
カブトムシの救いは、アリの顔に有毒な化学物質の混合物を放出する、腹部の後面のすぐ下にある腺でした.カリフォルニア工科大学の進化生物学者であるパーカーは、特定の甲虫のグループに固有の単純だが斬新な構造の進化につながったステップを最近たどったチームを率いています。腺はユニークかもしれませんが、その研究からの洞察は、より普遍的な問題を明らかにするかもしれません:新しい器官はどのように進化するのか?
目、心臓、肝臓のいずれであっても、多細胞生物が細胞間で分業を確立すると、新しい器官が進化します。しかし、その特殊化がどのように進化するかは、「ニワトリが先か卵が先か」という謎のような問題です。臓器内の多様な細胞はさまざまな機能を実行します。その利点は、機能している臓器全体の目的のコンテキストでのみ明らかになる可能性があります。では、なぜそれらの細胞と機能はそもそも進化？
謎が深まり、多くの臓器は非常に古く、その起源を再構築することはほとんど不可能です。昆虫の進化を研究しているオタワ大学の発生生物学者、ラジェンドラン・ラジャクマールは、「それは非常に曖昧です。 「器官全体と同じくらい複雑なものを作るために発生した遷移を特定するのは本当に難しい.」
しかし近年、科学者たちはさまざまな無脊椎動物の目やその他の特徴の起源を調べることで、この問題に深く入り込み始めています。そして今、パーカーと彼の同僚による研究は、新しい臓器の出現を導く重要な原則となる可能性があるものを特定しています.1つ目は、あるタイプの細胞の変化が、隣接する細胞が利用するための新しい機会、つまりニッチを開くことができるということです.そして第二に、このようなパートナーシップがうまく確立されると、さまざまな種類の細胞が相互に依存するようになり、相互依存のサイクルに閉じ込められます。
研究者がカブトムシ腺で観察した共進化は、「このニッチ創造のプロセスを通じて、一般的な器官の機能的進化の一種のパラダイム」になる可能性があるとパーカーは述べた.
腺は、より精巧な器官と比較すると控えめに見えるかもしれませんが、これらの種類の研究にとって重要な焦点となっています.それらは複雑な器官よりも細胞の種類が少ないため、基本原理を発見するためのより簡単な出発点を提供します。それらは通常、より最近進化したため、進化を再構築しやすくなっています。また、新しい化学的防御や生物発光など、顕著な生物学的革新の場でもあります。
コーネル大学の進化発生生物学者であるレスリー・バボニスにとっても、腺や他の組織の分泌細胞が「新しい機能の進化のホットスポット」になる可能性があることは理にかなっています。定義上、そのような細胞は、遺伝子産物を小胞に濃縮し、分泌によって細胞体から除去する能力に優れています。 「遺伝子産物 (タンパク質) を小胞に濃縮し、それを細胞外に分泌する能力は非常に強力です」と Babonis 氏は述べています。 「これにより、細胞は内部で何が起こっているかを大幅に制御できます」と同時に、情報を伝達し、外部に影響を与えます.
新しい細胞型はどのように進化するか
腺が急速で目覚ましい進化的変化の大釜になり得るという証拠については、ハタアブムシ (Staphylinidae) と呼ばれる昆虫の大家族ほど見るべき場所はないかもしれません。 350,000 種以上の既知の甲虫のうち、64,000 種がハタカイムシです。これらの小さくて気取らない昆虫には、ほとんどのカブトムシの腹部を覆って保護する硬化した前翅がないため、生息する落ち葉の中をうごめくときは柔軟ですが、捕食者に対しても脆弱です.保護のために、多くのローブビートル系統は、腹部のさまざまなポイントから有害な化学物質を噴霧する多様な防御腺を独自に進化させました.
防御腺がどのように進化したかを理解するために、カリフォルニア工科大学の研究者は種 Dalotia coriaria に注目しました。 、アロカリナ亜科。その防御的なターガル腺は、この系統の進化の成功を説明する重要なイノベーションです。約 17,000 種のアロカリンは、ローブビートルの最大のクレードです。
博士研究員の Adrian Brückner が率いる Parker のチームは、腺の化学混合物を分析することから始めました。それは、長い炭化水素化合物 (アルカンとエステル) の溶液中の刺激性の高いベンゾキノンの液体混合物であることが判明しました。さらなる研究により、腺を構成する 2 つの細胞タイプがそれぞれ、その混合物中の成分に関与していることが示されました。アルカンとエステルを生成する「溶媒細胞」は、外骨格の柔らかい膜の一部です。それらは、腹部の2つのセグメントの間にポーチまたはリザーバーを形成します。溶媒セルの下には、ベンゾキノンを作る一連の「グランドセル」があり、ダクトを通じてリザーバーに放出されます。コガネムシが腹部を持ち上げて体節を曲げると、リザーバーが開き、アリや他の捕食者に向かって混合物を噴き出します.
しかし、研究者がこれらの細胞がどのように進化し、製品を作る能力を獲得したかをより深く調べたところ、一連の驚きに遭遇しました.
パーカーのチームは、溶媒細胞が最初に進化したと考える理由がありました.tergal腺を持つ最も古い、最も古いアレオカリンの枝は、エステルを作りますが、ベンゾキノンは作りません.研究者たちは、アルカンとエステルは甲虫のコア代謝の一部に由来する脂肪酸経路によって作られるという仮説を立てました。研究者が、腺の主要貯蔵庫を包んでいる細胞での脂肪酸の合成を停止したとき、アルカンとエステルが消失したことを発見しました。 「つまり、その細胞タイプが炭化水素タイプの化合物を作っていることを示しており、細胞自律的な脂肪酸経路を介してそうしているのです」と Parker 氏は述べた。
研究者が個々の溶媒細胞で発現した RNA 分子を調べたところ、溶媒細胞で一緒に発現した遺伝子転写産物のセットが、カブトムシの脂肪体などの特定の他の組織でも一緒に発現していることを発見しました。哺乳類の肝臓。
「甲虫は、脂肪体とフェロモン産生細胞で進化したこの古代の脂肪酸生合成ツールキットを再利用しています」とパーカーは言いましたが、進化はそのツールキットをクチクラのパッチにインストールし、それを化学分泌貯蔵庫に変えました.彼はこの現象を「トランスクリプトーム ハイブリダイゼーション」と呼んでいます。これは、新しい溶媒細胞が実際には 2 つの祖先細胞タイプ、クチクラ細胞と脂肪体またはフェロモン細胞からの遺伝子発現パターンの融合であるためです。
「彼らは、何百万年もの間共進化してきたこの一連の遺伝子産物を展開して非常に効果的に連携させ、クチクラの一部に貼り付け、新しい分泌化合物の製造を開始できると考えています」とパーカー氏は述べた。 /P>
カリフォルニア大学サンタバーバラ校で眼と生物発光の進化を研究し、 Caltech プロジェクトに参加しないでください。そのような発現ハイブリッドに関する科学文献は限られている.「最近まで、個々の細胞型で発現するすべての遺伝子を研究する技術がなかったからです」と彼は言った. 「それでも、それは進化の過程で何度も見られる原則であり、既存の部品を組み合わせて新しいものにするのです。」彼は、進化の原理をブリコラージュと呼ばれる芸術技法と比較しています。ブリコラージュでは、発見された素材が独創的に新しい創造物に組み立てられます。
1 つのシグナルで十分
これらの遺伝子調節ネットワークのモジュール性は、分化に関与する一連の遺伝子全体を活性化または抑制することができるため、単一の転写因子で新しい細胞型を作成できることを意味します。先月発生生物学会の年次総会で発表された研究で、バボニスは、刺胞細胞（イソギンチャク、クラゲ、サンゴ、および刺胞動物と呼ばれる海洋無脊椎動物グループの他のメンバーに見られる刺すような細胞）が細胞系譜から生じることを示しました。ニューロンの特定のセット。 Babonis は、単一の転写因子が未成熟細胞のニューロンとしての発達を阻止し、獲物を捕らえるためのとげのあるコイル状フィラメントを備えた刺すような細胞に変えるのに十分であることを発見しました。
パーカーは、カブトムシが既存の遺伝子セットを新しい状況で再利用することにより、新しい機能を発明するのは比較的簡単かもしれないと考えています. 「昆虫は常にこれを行っていると思います」と彼は言いました。 「彼らは常に、フェロモン産生細胞または防御腺の小さな斑点を進化させています。」これは、腺細胞がすべての動物の中で最も急速かつ収束的に進化しているタイプの細胞の 1 つである理由を説明することができます。
ローブビートルは、その歴史の早い段階で防御として脂肪酸誘導体を進化させた可能性が高いが、アルカンやエステルのような化合物は、それ自体では捕食者を撃退するのに特に適しているわけではない.ベンゾキノンは、特定の痛み受容体に結合して活性化するため、真の鍵です。この 2 番目の成分を化学的防御に追加することは、「確実にマクロ進化的な結果をもたらしたでしょう」と Parker 氏は述べ、ベンゾキノンを作るハタカイガラムシの枝には 17,000 の種があるのに対し、それ以前の姉妹枝には 1 つしかない理由を十分に説明できるかもしれません。数十。
溶媒細胞は外骨格膜細胞に由来することは明らかですが、新規のベンゾキノン産生細胞の発生起源はまだ謎です。しかし、研究者らは、ベンゾキノン産生細胞が、外骨格のクチクラを硬化させて暗くする「なめし」プロセスの酵素に関連する2つの酵素を高レベルで発現することを発見しました. RNA 干渉を使用して酵素を沈黙させたところ、甲虫はもはやベンゾキノンを生成できないことがわかりました。
要するに、最初にクチクラの日焼けのために進化した酵素は、防御腺に再配置されたようです. 「これらは、あるコンテキストで機能するように進化したカセットであり、別のコンテキストで再展開すると非常に効果的に連携して機能します」と Parker 氏は述べています。
しかし、ベンゾキノンは、アルカンとエステルが存在しない環境で進化したとしたら、カブトムシの効果的な防御にはなりませんでした。ベンゾキノンは固体です。捕食者に噴霧または塗抹するには、炭素溶媒に溶解する必要があります。
パーカーは、ベンゾキノンを作る腺細胞が出現する機会が生じたのは、溶媒細胞が進化した後であると考えています. 「突然、この非常に効果的な化学防御メカニズムができました」と彼は言いました。 「器官の機能を変化させる 2 番目の細胞型を取得するとすぐに、2 つのものが互いに共進化する 1 つのユニットとして結合します。」
これらの 2 つの原則 - 細胞のための新しい生理学的ニッチの作成と古代の遺伝回路の転用 - が甲虫以外の種で機能するという証拠がすでにあります。数年前、オークリーは、刺胞動物だけで少なくとも 9 回独立して進化した目の進化を研究しているときに、彼らが働いているのを見ました.
オークリーと彼の同僚は、それらの 9 つのケースすべてで、光受容細胞、色素細胞、および水晶体細胞の分子成分の多くが、光に対するストレス応答において以前の役割を果たしていたことを発見しました。たとえば、クリプトクロム遺伝子の本来の役割は、紫外線からのエネルギーを使用して DNA 損傷を修復することでした。クリプトクロムが刺胞体の多くの光を受け取った領域で高度に発現されるようになると、その遺伝子の変異型コピーが動物の概日リズムを設定するのに役立つ光受容体に進化しました.
ストレス下での進化
Oakley は、光からのストレスに対処するための同様のメカニズムが、光感受性細胞を徐々に光受容体に形作ったのではないかと考えています。これにより、UV 保護色素細胞が光受容細胞を保護するように進化する一連のさらなるイベントが開始された可能性があり、その保護により、光受容細胞が入射光の強さだけでなく、入射光の方向を検出する機会がもたらされた可能性があります。方向性に関する機能は、レンズが方向情報を微調整するように進化する機会を生み出しました。レンズは、多くの熱ショックタンパク質と解毒酵素が一緒に結晶化した結果のようです.
「熱ストレス、紫外線ストレス、酸化的損傷など、光によって引き起こされるストレスとの関連性は何度もありました」とオークリーは言いました。これらはすべて、「そこにあるものを扱うという原則、つまりブリコラージュの考え方に適合しています。」
最近、Oakley は彼の研究室のエネルギーの一部を別の進化的イノベーション、つまり独立してほぼ 100 回進化した生物発光に向けました。生物発光する貝柱類の甲殻類は、海の小さなホタルのように、生物発光する粘液腺を持っています。腺内の 1 種類の細胞はルシフェラーゼ酵素を分泌し、2 番目の種類の細胞は基質であるバルグリンを分泌します。これらの化学物質が分泌された粘液で混ざり合うと、ルシフェラーゼがバルグリンを酸化し、そのエネルギーの変化が光として放出されます。 Lisa Mesrop と Oakley のチームの他のメンバーは現在、ルシフェラーゼとバルグリンを作って分泌する細胞型の起源を理解するために取り組んでいます.
新しい臓器の起源に関する疑問は古くからあるが、新しい臓器がどのように進化するかについての研究はまだ始まったばかりだ。しかし、単一細胞 RNA 配列決定のような新しい技術の台頭は、「現在、遺伝的に何が起こっているのかを調べて理解する能力を実際に獲得し始めていることを意味します」と、欧州分子生物学で細胞型の進化を研究しているジェイコブ・マッサーは述べています。ハイデルベルグの研究所。 「正確に何が起こっているか、またはデータの一部をどのように解釈するかについて、必ずしも全員が合意しているわけではありません。しかし、それが新興分野の性質です。」
