1800 年代半ば、自宅から何千マイルも離れた蒸し暑いアマゾンの熱帯雨林で、英国の博物学者ヘンリー ウォルター ベイツは問題を抱えていました。複数です。親指サイズの刺咬性昆虫、常に存在するマラリアの脅威、有毒なヘビ、カビがあり、貴重な標本がイギリスに返送される前に追いつく恐れがありました。しかし、彼を悩ませていたしつこい科学的問題は蝶に関するものでした.
ベイツは、鮮やかな色の Heliconius のいくつかに気づいていました。 森の蝶は他の蝶のように飛び回ることはありませんでした。彼らはよりゆっくりと動きました。彼がそれらを捕獲し、その場しのぎの顕微鏡で調べたところ、それらが実際には Heliconius ではないことがわかりました。 まったく、無関係な蝶の家族からの驚くべきそっくりさん.
ベイツの発見がイギリスの科学的知識に到達するまでに、チャールズ・ダーウィンの当時の新しい自然選択の提案は、なぜこの素晴らしい模倣が起こったのかを説明することができました.鳥や他の捕食者は Heliconius を避けます 蝶は食べると有毒で、苦い味がするからです。ミミックは有毒ではありませんでしたが、悪臭を放つ Heliconius に非常によく似ていたためです。 、食べられる可能性が低くなりました。類似性が高いほど、保護がより強力になります。
ベイツとその後の多くの進化生物学者が説明できなかったのは、この模倣がどのように可能であったかということでした。翼の適切な場所にアクアマリンと燃えるようなオレンジの適切な色合いを得るには、正確に調整された遺伝子の星座が必要でした. Heliconius を保存するには、これらの特性を世代から世代へと完全に忠実に継承する必要があります。 変装。おそらく本物のヘリコニウス 蝶の毒素は捕食者に近づかないように教えることができるため、蝶は色が少しずれても余裕がありますが、模倣者は一貫して完璧なレプリカである必要がありました.しかし、有性生殖における形質のランダムな再編成と再混合は、本質的な色のパターンをすぐに混乱させたはずです.
今日、多くの種でその答えがスーパージーンであることがわかっています。これは、複数の遺伝子を 1 つの遺伝単位にまとめる DNA のストレッチです。ノルウェーのアグデル大学の分子生態学者であるマルテ・ソーデランドは、「彼らは一種のワイルドカードです」と語った。この集約された形式の継承には、「迅速な適応が可能になるため、明らかな利点がありますが、まだわかっていないことがたくさんあります。」
スーパージーンはかつては進化論的に奇妙に思われていましたが、遺伝子配列決定の台頭により、研究者が信じていたよりもはるかに一般的であることが示されました。すべての超遺伝子が機能を果たしているわけではありませんが、ここ数年の研究で、さまざまな動植物種の形質が、単一の遺伝子のように機能するこれらの遺伝子群によって駆動されている可能性があることが明らかになりました。超遺伝子は、野生のヒマワリが砂丘、海岸平野、防波島などのさまざまな環境に適応するのを助けます。他の科の植物では、性器と繁殖力に微妙ではあるが重要な変化をもたらし、近親交配を防ぐのに役立ちます.昨年春に発表された研究によると、いくつかのヒアリの種では、超遺伝子がどのタイプの社会組織が優勢であるかを決定していることが示されました。 (ヒトの特定のスーパージーンは確認されていませんが、可能性の高い候補は見つかっています。)
超遺伝子はまた、種が新しい環境に急速に適応することができる方法、個体群が近くに住んでいても異なる方向に進化する方法、一部の種が「バランスの取れた致死システムを持っている理由」など、多くの長年にわたる進化の謎の説明を保持しているようです。生き残るためには、2 つの異なるバージョンの染色体が必要です。
しかし、超遺伝子は万能ではありません。超遺伝子の進化に関する最近の研究は、その影響のニュアンスのある絵を描いています。これらの理論モデルと実際の個体群の研究は、スーパージーンが他の DNA 断片よりもはるかに急速に有害な突然変異を蓄積することが多く、これが元の利点を弱体化させる退行効果に徐々につながる可能性があることを示しています.
遺伝子ランドリーの分離
超遺伝子の定義はかなり専門的であり、その概念は 1930 年代から存在していたにもかかわらず、科学者は依然としてその細かい点について議論しています。しかし、エディンバラ大学の進化生物学者であるサイモン・マーティンは、最も単純なレベルでは、スーパージーンは、多くの場合、他の多くの非コーディング DNA とともに、1 つの単位として一緒に継承される遺伝子のグループであると述べています。
「複数の遺伝子を持つ 2 つの異なる形質を生成し続けることができ、それらがごちゃごちゃになる心配はありません」と Martin 氏は述べています。
そのごちゃまぜは、卵細胞と精子の生産中によく発生します。その過程で、染色体の母方と父方のコピーが整列し、組換えと呼ばれるバレーで DNA のセグメントをランダムに交換します。組換えは、遺伝子のさまざまな順列の価値に関する自然の賭けをヘッジします。遺伝的多様性を高め、有害な突然変異を排除するのに役立ちます.
超遺伝子の超大国は、これをブロックすることです。通常、スーパージーンには、DNA の欠失、挿入、または反転 (切り出されて後方にスプライスされた配列) が含まれます。その結果、染色体 DNA のこれらの部分はパートナーと一致せず、再結合する可能性がはるかに低くなります。
1970 年代に研究者は、染色体のミスアラインメントが染色体のセグメントの組換えをブロックし、その後遺伝子を失い続けるという同じメカニズムが、哺乳類の X 染色体から Y 性染色体への進化につながることを示しました。性染色体は、本質的に暴走する超遺伝子です。超遺伝子と性染色体の両方が存在するのは、一部の遺伝子セットを一緒に継承することで利益が得られる場合があるからだと、進化遺伝学者の 1 人で性染色体研究の先駆者であり、最近エジンバラ大学を退職したデボラ チャールズワースは述べています。そのような場合、「組み換えを行うのではなく、相性の良いもの同士を永久にくっつけるのが理想的です」と彼女は言いました.
スウェーデンのヨーテボリ大学の進化生物学者であるエマ・ベルダンは、それがなぜ有利なのかを理解するには、洗濯を考えてみてください.白いタオルのバスケットと赤いタオルのバスケットがあるとします。再結合は、両方の荷物を同じドラム缶に投げ込み、お湯をひっくり返してスタートを押すのと同じことです。結果はピンクのタオルの束です。しかし、進化的にピンク色のタオルに相当するものは、多くの場合問題にはなりません、とベルダンは言います。
とはいえ、遺伝子を分離しておくことで生命が恩恵を受けることもあります。ベイツのヘリコニアスのために 異なる遺伝子からの色のしぶきが混ざり合っている蝶の模倣は、悲惨なことになる可能性があります.蝶は、ヘリコニウスに十分に似ている場合にのみ、擬態の報酬を得ることができます 捕食者をだますために。
そのため、多くの研究者が、超遺伝子がどのように発生し、超遺伝子が進化し続けるにつれて種にどのような影響を与える可能性があるかを調査してきました.超遺伝子の起源を理解することは、「最も困難な問題の 1 つです」と、ストックホルム大学の進化遺伝学者で、植物の超遺伝子を研究している Tanja Slotte 氏は述べています。 「そして、それが常に可能であるとは限りません。」
最近の取り組みの 1 つで、ノースイースタン大学の進化海洋生物学者である Katie Lotterhos は、コンピューター モデルを構築して、逆位遺伝子から超遺伝子への経路でとられる最初の暫定的なステップを研究しました。彼女のモデルは、Philosophical Transactions of the Royal Society B に掲載されました。 超遺伝子に関する特別号の一部として 8 月に、最初の DNA フリップフロップが大きいほど、超遺伝子が進化する可能性が高くなることを示しました。その理由は単純で、DNA の反転断片が大きいほど、複数の遺伝子を捕捉し、それらを 1 つの実体として結び付ける可能性が高くなったからです。逆位内で生じる有益な突然変異は、スーパージーンとしての拡散を促進する可能性があります.
しかし、Lotterhos のモデルからのより重要な洞察は、反転自体が必ずしも進化上の利点を提供しないということでした。一連の遺伝子がすでにその環境にうまく適応している場合、それを反転に固定しても、突然スーパー遺伝子として離陸することはできません.この事実は、複雑な重要な形質がスーパージーンとして定期的に確保されない理由を説明するのに役立つかもしれません:通常の選択圧力は、多くの場合、形質を維持するのに十分です.
順応が逆転に先行するのか、それとも逆なのかという問題は、決して答えられないかもしれないと Lotterhos は認識していました。 「反転と適応、どちらが先か？」彼女は言いました。 「それはおそらく両方の少しです。」
超遺伝子のコスト
超遺伝子は、適応形質の継承において強力な利点を提供しますが、代償も伴います。
ベルダンの洗濯の例えを思い出してください。赤と白のタオルを 1 回の洗濯で洗うと、2 組のリネンの色の違いがなくなります。ただし、ピンクのタオルを裂いたり汚したりした場合は、同じピンクのタオルをバックアップとして使用できます.染色体の 1 つのコピーが遺伝子を破壊する有害な突然変異を拾うと、機能するバックアップ コピーが一致する染色体上に存在し、生物の生存を助ける可能性があります。また、組み換えにより、突然変異が他の遺伝子とは独立して継承されることが保証されるため、自然淘汰により、時間の経過とともに突然変異を取り除くことができます.
ただし、スーパージーンの場合はそうではありません。彼らはめったに再結合しないので、彼らが獲得した有害な変異はそのまま残る傾向があります.したがって、超遺伝子の利点は重大な欠点を伴う可能性があります。たとえば、ライデン生物学研究所のベルダンとベンジャミン・ヴィールストラは、クレステッドイモリと呼ばれるサンショウウオでは、産む卵の半分が、1 つのスーパージーンに蓄積されたすべての突然変異のために生存できないことを発見しました。彼らのスーパージーンが生殖の成功を妨げているようです.
スーパージーンはまた、交配のプロセスを複雑にする可能性があります。一部の種では、超遺伝子が繁殖システムを作り出し、事実上 4 つの性別があります。たとえば、ノドジロスズメと呼ばれる北米の鳥類には超遺伝子があるため、色や行動が異なる 2 つの「モーフ」が存在します。男性は女性を見つけなければならないだけでなく、反対のモーフからパートナーを見つけなければなりません。そうしないと、子孫は両方の親からスーパー遺伝子を継承するか、スーパー遺伝子を継承しないことで死亡します。染色体の 1 つのスーパー遺伝子と 1 つの通常のセグメントの「バランスのとれた致死」遺伝を受けたヒナだけが生き残ります。
これほど高額な価格を考えると、超遺伝子がまったく進化したのは不思議だ、とベルダンは言う。 「亜種のセットは、特に何百万世代にもわたって維持するのが非常に困難になるでしょう」と彼女は言いました。 「それは超遺伝子の大きな謎の 1 つです。」彼女は、超遺伝子を保存するために複数のタイプの選択が協力している可能性があり、特定の環境が集団内でのそれらの持続を最も助長している可能性があることを示唆しました.
皮肉なことに、超遺伝子を保存できるメカニズムの 1 つは、通常は抵抗する現象である組換えであるように思われます。ロチェスター大学の進化遺伝学者である Amanda Larracuente と彼女の共著者は、昨年 4 月に eLife でそのような事例を説明しました。 .
ララクエンテは当初、超遺伝子やその進化コストには関心がありませんでした。彼女が焦点を当てたのは、宿主に利益をもたらさずに個体群内で増殖する DNA の断片である利己的な遺伝子です。彼女はSegregation Distorterと呼ばれる利己的な遺伝子に魅了されました (SD ）は、ザンビアの特定のショウジョウバエで発生し、子孫の性比をゆがめます。 「それは精子キラーです」と彼女は説明しましたが、SD の染色体を持っていない精子のみを殺します。 .
過去 3,000 年以内に、SD の 1 つのバージョン 染色体 DNA の大きな断片を取り込み、SD-Mal として知られるスーパージーンを作成しました。 アフリカ全土のショウジョウバエの個体群に広がりました。 「本当に究極の利己的な遺伝子です」とララクエンテは言いました。
Larracuente、Daven Presgraves、およびその同僚による DNA 配列決定と分析により、SD-Mal を持つ染色体が示されました。 SD-Mal 間の組換えがほぼ完全に欠如していることから予測されるように、有害な変異を蓄積します。 とその姉妹染色体。しかし、研究者は予想したほど多くの変異を見つけられませんでした。
彼らが発見した理由は、時々、ハエが SD-Mal を持つ 2 つの染色体を受け継ぐことです。 —そして、これら2つの超遺伝子は、それらの間の組換えを可能にするのに十分なほど似ています.この組換えにより、ハエのスーパージーンから有害な突然変異を徐々に取り除くことが可能になります。
「結局のところ、ほんの少しの組み換えで十分です」とララクエンテは言いました。彼女と Presgraves は現在、他の SD を探しています。 超遺伝子のより一般的な進化と影響の手がかりとして、野生のショウジョウバエ個体群の超遺伝子。
彼らの結果は、ゲノムに対する組換えの精製効果が重要であることを示しています。超遺伝子の安定した予測可能な遺伝が可能にする複雑な形質は、種が適応するのを助ける上で非常に貴重かもしれませんが、超遺伝子でさえ、時々物事を混ぜ合わせることから利益を得ることができます.
