樹液を食べるコナカイガラムシの特殊な細胞内に生息する小さな共生細菌であるトレンブラヤ プリンケプスは、わずか 121 のタンパク質コード遺伝子を持ち、地球上のどの細胞生物よりも最小の既知のゲノムを持っています。トレンブラヤはコナカイガラムシに必須アミノ酸を供給するのを助け、見返りに栄養素やその他の生命維持分子を受け取る可能性が高い.ゲノム サイズの下限をテストしているにもかかわらず、トレンブラヤ ゲノムはまだ遺伝子を放出している可能性があります。
さらに驚くべきことに、科学者たちは 2011 年にトレンブラヤ を発見しました。 自身のバクテリア ゲストの宿主となります。 Moranella endobia と呼ばれるこの細菌は、宿主よりも物理的なサイズは小さいですが、3 倍以上の遺伝子を持っています。 3 つの生物が一緒になって、複雑な共依存の網を形成します。入れ子になったバクテリアは互いに補完し合い、昆虫の宿主を補完し、コナカイガラムシの樹液食に欠けているアミノ酸を生成するために必要な酵素の遺伝的パッチワークを作成します.
トレンブラヤは、一部の生物学者が細胞部分の進化を明らかにするのに役立つと考えるパラドックスのようなものを提示します.宿主と共生生物の組み合わせにより、トレンブラヤはその遺伝子の多くを捨てることができ、かつて不可能と考えられていたゲノム サイズで生き残ることができました。
ノバスコシア州ハリファックスにあるダルハウジー大学の微生物学者であるジョン・アーチボルドは、「これらの細菌が、私たちが生存可能な生物と見なす下限を押し上げたことは非常に注目に値します」と述べています。 「10 年前であれば、人々は、これほど小さな遺伝子セットを持つバクテリアの考えを笑っていたでしょう。」
その極度の微細さと、宿主微生物と常在微生物の両方から多くの必須要素を取得しなければならないという事実を考えると、トレンブラヤは細胞生物とオルガネラ、エネルギーを生成するミトコンドリアなどの細胞内の特殊な構造との間の境界を曖昧にすることを示唆する.正式には、別の生物の細胞内に生息する生物である内部共生生物に指定されています。しかし、そのゲノムサイズは、いくつかのオルガネラのサイズに似ています。 「これらはいつバクテリアでなくなるのですか？」ミズーラ州にあるモンタナ大学の生物学者で、これらの生物を研究している John McCutcheon に尋ねました。
実際、科学者たちは現在、いくつかのオルガネラが内部共生細菌から進化したことを知っており、トレンブラヤのような小さな内部共生生物を研究することへの期待を高めています それらのオルガネラの進化に光を当てることができます。 「内部共生生物と細胞小器官の間に明確な境界線はありません」と McCutcheon 氏は述べています。 「私たちは、内部共生生物からオルガネラへの移行に非常によく似たものを見ているかもしれません。」
Cell 誌に本日掲載された論文で、McCutcheon と共同研究者は、トレンブラヤ トロイカの間の驚くべき新しいレベルの相互依存関係を明らかにしました。コナカイガラムシのゲノムには、トレンブラヤとモラネラとは異なる他の種類の細菌の遺伝子が含まれているようであり、2 つの内部共生細菌は、これらの遺伝子のタンパク質産物を使用して栄養素を製造し、膜を作る可能性があります。
この研究には関与していなかった Archibald は、「進化の過程で多くの混合と適合が行われている」と説明しました。
小人家族
トレンブラヤは、過去 7 年以内に発見された非常に小さな内部共生細菌の成長ファミリーの 1 つであり、生命の最小の青写真に関する科学者の仮定に挑戦しています。 「それはどういうわけか進化に限界をもたらします。どれだけ効率化に向けて進化し、そのままでいることができますか?」マサチューセッツ州ボストンにあるタフツ大学医学部の微生物学の名誉教授であるモセリオ・シェクターに尋ねました.
過去 40 年間、科学者たちは最小のゲノムはマイコプラズマ属のバクテリアに属すると考えていました。マイコプラズマ・ジェニタリウムは、わずか 482 のタンパク質コード遺伝子 (ヒトゲノムの約 20,000 と比較して) を持つヒト生殖管に生息し、1995 年に配列決定された 2 番目の細菌ゲノムになり、約 10 年間科学者に知られている最小のままでした。 . 「昆虫の内部共生生物は、その数からドアを吹き飛ばしました」と McCutcheon は言いました。 (M. genitalium トレンブラヤとは異なり、実験室で育てることができます。)
多くの科学者は、実用的な理由から、これらの小さなゲノム生物の研究に関心を持っています。たとえば、J. Craig Venter Institute の研究者は、燃料、医薬品、またはその他の有用な化学物質を製造するように設計された生物学的機械のシャーシとして使用できる、最小限の細菌を開発しています。
自然界の最も合理化された生命体は、倹約と協力についても教訓を与えてくれます。 「トレンブラヤのような内部共生生物は、賢い生物がどのように獲得できるかの実例です」とシェクターは言いました。 「目の前で進化を見ることができます。」
小さなゲノムを持つ細菌のコレクションは、驚くほど多様であり、一連の細菌の祖先から出現し、さまざまな遺伝子を保持および放出しています。宿主細胞の保護された環境のおかげで、これらの生物は急速に進化する傾向があり、最小の突然変異が最も速くなります。トレンブラヤとその対応物は、DNA修復に関与する多くの遺伝子を脱落させ、進化の速度をさらに加速させました.それらはまた、それらを囲む保護膜を作るために必要な遺伝子を失っており、代わりに宿主細胞からの膜成分に依存していると考えられています.これらの生物が保持する遺伝子は、宿主のための栄養素の生産に関与する傾向があるだけでなく、DNA複製や遺伝子のタンパク質への翻訳を含む、いわゆる情報修復の実行にも関与する傾向があります. (トレンブラヤなどの有益な内部共生生物は、無脊椎動物ではかなり一般的ですが、人間や他の脊椎動物ではまれです。)
トレンブラヤのような内部共生生物を研究する最も興味深い理由の 1 つ ミトコンドリアと葉緑体、エネルギーを生産する細胞内の膜結合構造の進化について学ぶことです。 10 億年以上前のそれらの出現は、植物、動物、原生生物、菌類を含む真核生物の発生における基本的な出来事でした。
科学者たちは、これらのオルガネラが 1800 年代後半にはバクテリアから進化したという考えを提案しましたが、その理論は 1970 年代まで普及しませんでした。オルガネラの発達を可能にした 2 つの重要な出来事:前駆体バクテリアは、その遺伝子の多くを宿主のゲノムに移し、これらの遺伝子や他の遺伝子によって生成されたタンパク質を自分の膜の内側に戻す方法を開発しました。たとえば、人間のミトコンドリアには、独自のタンパク質をコードする遺伝子が 13 個しかありませんが、細胞のエネルギーを作るために何千ものタンパク質を使用しています.
それらの細菌の起源は現在十分に確立されていますが、これらのオルガネラの進化については多くの疑問が残っています.たとえば、現在どこにでもあるミトコンドリアは一度進化しただけであり、科学者はその出来事の結果だけを見ることができ、その起源を見ることはできません.トレンブラヤは、ミトコンドリアに至るプロセスを明らかにする可能性があります。 「それは一度だけ起こったので、何が起こったのかを知るのは難しいです. 「内部共生生物を研究することで、それについての洞察が得られます。」
深い統合
トレンブラヤは特定の属性をオルガネラと共有しています。そのゲノム サイズは一部のミトコンドリアや葉緑体のサイズに似ており、多くの重要な遺伝子が欠落しており、その生物学は宿主の生物学と深く絡み合っています。ただし、明らかな違いの 1 つは、オルガネラは生物のほぼすべての細胞に見られるのに対し、内部共生生物は宿主に栄養を提供することが主な役割であるため、特定の細胞にしか見られないことです。たとえば、トレンブラヤは、バクテリオームと呼ばれる特殊な細胞に見られます。
トレンブラヤの生物学を取り巻く重要な問題の 1 つは、小さな生物がどのように生き残るかということです。ある理論では、オルガネラのように、昆虫の宿主にいくつかの遺伝子を持たせたのではないかと提案されています。これは、その小さなサイズを説明し、ミトコンドリアと同様の進化経路をたどるのに役立ちます. McCutcheon のチームは、 でこれに関する証拠を見つけませんでした。 セル しかし、彼らが見つけたものはさらに複雑です.
コナカイガラムシのゲノムには、トレンブラヤやモラネラとは無関係の祖先を持つ細菌からの 22 の遺伝子が含まれていますが、これらの遺伝子は、必須栄養素の生成と細菌を囲む細胞壁の合成に関与するタンパク質をコードしており、「共生生物に欠けているものと適合します。 」とマカッチョンは言いました。 「これらの[生物]は、遺伝子を宿主に移すことによって小さくなっているわけではありません」と彼は言いました。 「彼らは宿主のバクテリア遺伝子を取り込むことで小さくなっています。これは私たちが予測できなかったレベルの複雑さです。」
この調査結果は、共生生物とオルガネラとの相違点と類似点をより詳細に理解するのに役立ちます。トレンブラヤ オルガネラの特徴である遺伝子を宿主に移していません。しかし、 のように ミトコンドリア、McCutcheon の調査結果は、トレンブラヤがもともと他の種類のバクテリアに由来するいくつかの宿主由来のタンパク質を取り込むことを示唆しています。 「これはあいまいな灰色の領域です。宿主は、共生生物が生き残るために必要な遺伝子をコードしています。これは、宿主がタンパク質を生物に向けることを示唆しています。 勉強。 「これはオルガネラが行うことですが、通常は内部共生生物ではありません。」
誰もがその理解に同意しているわけではありません トレンブラヤは、オルガネラの進化を明らかにするのに役立つかもしれません.ドイツのデュッセルドルフ大学の生物学者であるウィリアム・マーティンは、電子メールで、トレンブラヤは「オルガネラとの美しい対比」であると書いています。彼は、例えば、オルガネラが宿主からタンパク質の大部分を輸入することに注目した。トレンブラヤもいくつかのタンパク質を輸入しているようですが、「葉緑体とミトコンドリアのタンパク質輸入装置とはかけ離れています」と彼は書いています.
トレンブラヤがオルガネラのすべての要件を満たしていなくても、細菌はオルガネラと同様の方法で宿主と統合されているようです.
「彼らは他のどの内部共生生物よりも多くのレベルでより統合されているようであり、その特徴をオルガネラと共有しています」とキーリング氏は述べ、トレンブラヤや他の小さな細胞内居住者を何と呼ぶべきかという問題は「一部の人々の血を沸騰させる」可能性がある. (彼は、個人的にトレンブラヤが何と呼ばれているかは気にしないと言いました。)
あるレベルではセマンティクスの問題ですが、この議論は、生きているとはどういう意味かというより深い問題にも触れています。
キーリングが研究している細胞内寄生虫も、ゲノムが減少しており、独自のエネルギー源を生成したり、宿主なしでは生き残ったりすることができず、通常は生物と考えられています。 「しかし、ミトコンドリアは宿主と非常に統合されているため、誰もミトコンドリアを有機体と呼んでいません」と彼は言いました.
違いは、キーリングの寄生虫は宿主からアデノシン三リン酸または ATP と呼ばれる分子の形でエネルギーを盗みますが、DNA を複製するために必要な遺伝子を持っていることです。一方、オルガネラは、宿主から提供されたタンパク質に依存して DNA を複製します。 「私たちは、宿主から ATP を盗むことは生物を構成し、タンパク質を盗むことはそうではないと勝手に決めました」とキーリングは言いました。 「それは本当に程度の問題です。」
