1996 年、当時アルバータ大学の若き教授であったスーザン ローゼンバーグは、危険で骨の折れる実験に着手しました。彼女のチームは、さまざまな条件下で増殖した何十万もの細菌コロニーを入念にスクリーニングし、研究室の外のホールを何万枚もの細菌のプレートで満たしました。 「悪臭がした」ローゼンバーグは笑いながら思い出した。 「私の同僚は私を嫌っていました。」
現在、ヒューストンのベイラー医科大学に在籍しているこの生物学者は、100 年以上にわたってさまざまな形で生物学を揺るがしてきた主要な論争を解決したいと考えていました。ジャン・バティスト・ラマルクが 1800 年代初頭に提案したように、生物は環境のニーズを満たすために自分自身を変えることができたのでしょうか?それとも、チャールズ・ダーウィンが「種の起源」で提案したように、突然変異はランダムに発生し、有害、無害、または有益な結果が混在し、自然選択の試行錯誤プロセスを促進したのでしょうか?
ダーウィンの考えは現代の生物学で明らかに勝利を収めていますが、よりラマルク的なスタイルの継承のヒントが引き続き表面化しています。ローゼンバーグの実験は、1980 年代後半に発表された論争の的となっている研究に着想を得ており、この研究では、バクテリアが「発生する突然変異を選択する」ことで何らかの方法で進化を指示できることが示唆されたと著者らは書いています。これは現代の分子生物学者によるラマルク理論のバージョンです。
1997 年に発表された Rosenberg の結果は、他の研究者が以前に行ったように、これらの調査結果に異議を唱えましたが、ねじれがありました。ラマルクの理論が予測したように、特定の形質を標的にするのではなく、突然変異はランダムな遺伝子を攻撃し、いくつかの良い結果といくつかの悪い結果をもたらしました.ただし、プロセスは完全にランダムではありませんでした。 Rosenberg の発見は、バクテリアがその突然変異率を高めることができることを示唆しており、それが今度は新しい条件を生き残ることができる菌株を生み出す可能性があります.
「細胞は、何をする必要があるかを正確に知ることによってではなく、集団としてサイコロを投げ、ゲノムにランダムな変更を加えることによって、ストレスに適応することができます」と、ペンシルバニア州立大学医学部ハーシーの生物学者 James Broach は述べています。酵母で同様の現象を研究している人。 「そうすれば、ストレスを受けた子孫が逃げ道を見つけることができます。」
Rosenberg は、生物学コミュニティが安心することを期待していました。結局、ダーウィンが勝った。しかし、一部の科学者はこの発見に疑問を呈しました。実際、この研究は議論を引き起こし、科学雑誌のページで数年間繰り広げられました。突然変異率を正確に測定することは難しい場合があり、ほとんどの突然変異が細胞に有害であることを考えると、その頻度を高めることは危険な進化の動きのように思えました.
しかし、過去 10 年間で、世界中の研究所がバクテリア、ヒトのがん細胞、植物で同様のパターンを発見しました。また、Rosenberg らは、生物ごとに異なるストレス誘発突然変異の根底にある分子メカニズムを特定しました。
科学者たちは現在、これらのメカニズムを新しいがん治療や長期持続する抗生物質などの治療の対象にする方法を探り始めています.この研究は、がん細胞と病原性細菌の両方が治療に対する耐性をどのように進化させるかについての洞察を提供します。これは、医師や医薬品開発者を悩ませてきた頑固で致命的な問題です。
たとえば、昨年 3 月、パリにあるフランス国立衛生医学研究所の研究責任者である Ivan Matic と共同研究者は、人や動物の排泄物から供給される水に含まれる非常に低いレベルの抗生物質で、十分に効果があることを発見しました。バクテリアをストレス状態にし、突然変異率を高めます。 「これは、ストレスによって誘発された突然変異の素晴らしい例です」と、Matic 氏は述べ、その結果は昨年、Nature Communications に掲載されました。これらの突然変異のいくつかは、細菌を抗生物質に対して耐性にしました。これは、ある抗生物質の低用量への曝露が、細菌を刺激して他の抗生物質に対する耐性を進化させる可能性があることを示唆しています.
現在、ほとんどの科学者は、ストレスが一部の生物の突然変異率を高めることを認めていますが、この現象が生物の進化にどの程度寄与しているかについては疑問が残っています.ブルーミントンにあるインディアナ大学の生物学者であるパトリシア・フォスターは、「現在、細胞がこれを行うように進化して突然変異を起こしたかどうかが議論の余地があります」と述べています。
分子の間違い
1943 年、分子生物学の創始者の 2 人である Max Delbrück と Salvador Luria は、突然変異の性質を調べるために設計された画期的な実験を行いました。彼らは、細菌の突然変異が特定の環境圧力に反応するのではなく、自発的に起こることを示しました。最終的にノーベル賞を受賞したこの研究は、科学者がまだ DNA の構造を知らなかったことを考えると、なおさら印象的でした。
現在、突然変異はさまざまな方法で発生することがわかっています。通常、細胞が DNA をコピーまたは修復しているときに発生します。 DNA を作る分子機構が間違ったビルディング ブロックを挿入したり、コピー機構がゲノムの別の場所にジャンプして間違った部分をコピーしたりすることがよくあります。これらの変更は効果がないか、DNA が生成するタンパク質の構造を変更して、その機能をより良く、またはより頻繁に悪化させる可能性があります.
Delbrück と Luria のモデルによると、これらの事故はランダムに発生し、時間の経過とともに徐々に増加します。しかし、科学者たちは時折、別の方法を検討してきました。生物は、場合によっては突然変異の仕方を制御し、新しい環境に適応するために、より迅速に進化できるようにするというものです。実際、デルブリュックのかつての顧問であるヴォルフガング・パウリは、未発表の通信で、突然変異プロセスが本当にランダムであり得るかどうかを疑問視しました. 2007 年の会議で手紙を読んだ Rosenberg が回想するように、Pauli は、「単純な確率モデルでは、私たちが目にする素晴らしい多様性を生み出すには不十分だろう」と主張しました。
この議論は 1988 年に再び表面化し、生物学者のジョン ケアンズとハーバード大学の共同研究者がネイチャー誌で挑発的な提案を行い、バクテリアはどの遺伝子を変異させるかを何らかの方法で選択できるというものでした。確たる証拠？ラクトースと呼ばれる砂糖を消化できない細菌は、他の代替食品を与えられない場合にその能力を進化させました. 「この論文は非常に物議をかもしました」と、フォローアップ研究で彼と協力したケアンズの友人であるフォスターは回想しました。 「手紙が飛び交いました。」
細胞が突然変異率を調節できるという考えは、見かけほど奇妙ではありません。たとえば、特定の免疫系細胞は、他の細胞よりもはるかに頻繁に変異し、新しい侵入者を鎮圧できるさまざまな抗体を産生できるようにします。しかし、これらの細胞は免疫系に限定されており、その突然変異を次世代に伝えません.
ローゼンバーグが彼女の実験に着手するきっかけとなったのは、ケアンズの発見でした。彼女は彼の提案が間違っているのではないかと疑ったが、完全ではなかった。 「人々は、主要な雑誌の一面で 5 年間、それについて争っていました」と彼女は言いました。 「それが非常に重要な質問であることは明らかでした。」
ローゼンバーグとフォスターの両方によるその後の研究は、ケアンズが提案したように、変異が特定の遺伝子に向けられたものではなく、大腸菌ゲノム全体に散らばっていることを示しました。 (ケアンズは、フォスターとのフォローアップ実験の後、彼の仮説を放棄しました。) 彼らはまた、食物不足を含むストレスが突然変異率を高める重要な要因であることを発見しました.
「それは人々にとって驚きでした」とローゼンバーグは言いました。 「細胞は、環境への適応が不十分な場合、実際に突然変異率を上げることを決定します。これは、細胞が置かれている環境が見えない一定のランダム突然変異とは異なる種類の図です。」
進化ではなく分子生物学のバックグラウンドを持つ Rosenberg は、残っている懐疑論を鎮める唯一の方法は、突然変異がどのように形成されているかを解明することだと感じました。彼女とフォスターは、その後の数年間、大腸菌の突然変異頻度の変化の根底にある分子メカニズムを突き詰めることに費やしました。通常の状態では、細菌は慎重に DNA をコピーする酵素を使用します。しかし、Rosenberg と Foster は、バクテリアがストレスを受けると、ミスを起こしやすい酵素が引き継ぎ、突然変異の頻度を高めることを発見しました.
一部の科学者は、現象自体についてではないにしても、それが生物の生存と進化にとってどれほど重要であるかについて、まだ懐疑的です.議論の中心にはパラドックスがあります。ほとんどのランダムな変異は生物にとって有害であり、たとえば重要なタンパク質をノックアウトします。したがって、より頻繁な突然変異は、適合性の低い集団を生成する可能性があります。 「人々はまだこの現象を疑っています。なぜなら、それは不適応であると信じているからです」とフォスターは言いました。 「突然変異率を上げると、有害な突然変異だけでなく、有利な突然変異も増加します。」一部の科学者は、進化はそのようなメカニズムを選択しないと考えている.
しかし、実世界の条件を模倣するように設計されたモデリング実験の結果は、たとえ有益な突然変異がまれにしか発生しないとしても、ストレス時に突然変異率を高めることは個々の細胞と集団全体の両方にとって有益であることを示唆しています. 「セルが将来の状況に基づいて賭けをヘッジする手段として、システムに組み込まれていると考えています」とブローチ氏は述べています。個々の細胞は、ストレスに対処するためにさまざまな戦略を使用しています。 しかし、「[細胞] は関連しているため、遺伝子プールは生き残るでしょう。」
もう 1 つの問題は、ストレスによって誘発される突然変異が実験室で増殖させた大腸菌に特有のものなのか、それとも多くの生物系で見られるのかということです。しかし、野生のものを含む他の微生物や他の生物に関する一連の研究は、ストレスによって引き起こされる突然変異が広範な現象であることを示唆しています.
細菌を超えて
Rosenberg が 1990 年代にバクテリアでの最初の実験を発表した直後、イェール大学医学部の医師であり生物学者である Peter Glazer が癌で同様の発見を始めました。腫瘍が急速に増殖すると、一部のがん細胞は十分な血流が不足し、酸素へのアクセスが制限され、かなりのストレスがかかります。 Glazer は、細菌細胞が飢餓状態またはストレスを受けた状態で突然変異率が上昇するのと同様に、酸素を奪われた癌細胞がより頻繁に突然変異を起こすことを発見しました。過去 10 年間、Glazer はこの現象のメカニズムに迫ってきました — 通常、欠陥のある DNA を修復する分子プロセスが抑制されています.
これまでに研究されたさまざまなシステムは、ストレスに対処するためにさまざまなメカニズムを採用していますが、「多くは [突然変異の頻度] が増加するという結果をもたらしています」と Matic 氏は述べています。 Matic が研究している病原性細菌、酵母、癌細胞におけるストレス誘発性の突然変異は、ローゼンバーグの大腸菌とは異なるメカニズムに起因します。
最近では、Glazer と共同研究者は、その発見を癌治療に適用する方法について考え始めています。がん治療における課題の 1 つは、腫瘍細胞を殺すが、健康な細胞はそのままにしておく薬を見つけることです。がん細胞で特定の DNA 修復経路が変化している場合、がんに特有のメカニズムを標的とする薬剤候補を探し始めることができる、と Glazer 氏は述べた。さらに、細菌と同様に、腫瘍は新薬に対する耐性を発達させることがよくあります。癌と抗生物質耐性の両方に対処するために、研究者は最初に、癌細胞または細菌のストレス誘発性の突然変異を防ぐことを試みることができます.
Rosenberg とワシントン大学シアトルの生物学者 Christine Queitsch は、医学研究者は、新しい治療法を開発する際に、抗生物質耐性やがんの薬剤耐性など、特定の臨床現象を引き起こす分子メカニズムを考慮する必要があると述べました。 「診療所では、通常、進化過程の結果を治療します。例えば、癌を切除するなどです」とクエイチュ氏は述べた。 「がん細胞の進化する能力を奪うことができたら、クールだと思いませんか?」
細菌、酵母、そしてある程度の癌細胞でさえ、急速に成長する単細胞生物です。ストレスによる突然変異は、これらの低細胞に限定されているのでしょうか?それとも、より複雑な多細胞生物にも適用されるのでしょうか?現象 植物や動物での研究は、寿命が長いなどのさまざまな理由でより困難です。しかし、新しい証拠は、ストレスが多細胞生物の突然変異の発生を促進する可能性があることを示唆しています.
2012 年、Queitsch は、HSP90 と呼ばれるタンパク質の機能を弱めることで、植物の突然変異を促進できることを発見しました。HSP90 は、他のタンパク質が適切に折り畳まれるのを助けます。つまり、特にストレス下で、その機能的な形をとるのを助けます。細胞にストレスがかかると、より多くのタンパク質が適切に折り畳まれるために HSP90 を必要とし、リソースをめぐって競合します。そのシナリオでは、DNA 修復タンパク質が正しく折りたたまれず、修復プロセスが妨げられ、さらに多くの変異が生じる可能性があります.
Science に掲載された 12 月の論文で、Lindquist とハーバード メディカル スクールの生物学者 Clifford Tabin を含む研究者グループは、HSP90 が洞窟に生息する魚の失明に何らかの役割を果たしている可能性が高いことを発見しました。科学者のモデルによると、魚の表面に住む祖先が洞窟に閉じ込められたときに発生した状況の急激な変化は、HSP90 システムに負担をかけました。そのストレスにより、一部の魚には既存の突然変異があり、目が小さくなり、暗い洞窟に住むのに有益であることが明らかになりました.研究者らは、ラボで地表に生息する洞窟魚のいとこを研究した結果、洞窟への移行中に発生した可能性があるように、HSP90 濃度の低下と水の状態の変化の両方が、目の大きさの大幅な変化を引き起こすことを発見しました。
HSP90 は高度に保存されているため、同じことが他の生物でも起こっている可能性が高いと Queitsch 氏は述べています。これは、植物からハエ、線虫、人間に至るまで、さまざまな生物がほぼまったく同じタンパク質を持っていることを意味します.
ストレスによって引き起こされる突然変異は現在、さまざまな生物で観察されていますが、「問題は、それらが生物の適応を助けるかどうかです」と、国立研究所の自然突然変異および DNA 修復グループの責任者を最近退職した生物学者のジャン・ドレイクは述べています。環境健康科学の。ドレイクによると、単細胞生物の証拠は強力です。 1 つの例は、抗生物質に対する耐性を進化させる Matic のストレスを受けた細菌です。しかし、それは植物や動物では未解決の問題だと彼は言いました.
事故か進化機械か?
新薬を開発する科学者にとって、癌細胞がストレス下でより頻繁に変異する理由を正確に理解することは、それほど重要ではありません。それがどのように機能し、どのように停止するかを理解するだけで、治療が改善される可能性があります.しかし、Rosenberg と Matic を含む他の研究者にとって、この現象の背後にある原動力は、ストレス誘発突然変異の最も興味深い側面の 1 つを表しています。 「ほとんどの分子生物学者は、それがどのように機能するかを尋ねますが、私はその理由を尋ねる少数派です」とローゼンバーグは言いました. 「それらは最も重要で魅力的な質問だと思います。」
2 つの基本的な可能性が存在します。細胞は、このメカニズムを一種の進化促進機械として進化させ、条件が新しい形質を必要とするときに正確に過剰な突然変異を引き起こした可能性があります。別の議論は、この現象は、ストレス下でのDNA損傷を修復する必要性など、他の理由で進化した分子メカニズムの副産物であるというものです.その場合、エラーを起こしやすい酵素と、それらが生成するより高い突然変異率は、細胞が支払わなければならない代償にすぎません。
何が特定の形質の発達を引き起こしたのかを実験的に証明することは困難ですが、Rosenberg と Matic はどちらも、自然がこのメカニズムを意図的に進化させたと強く信じています. 「特定の条件下では、高い突然変異率がバクテリアに適応できると確信していますが、それはコミュニティではまだ未解決の問題です」とマティックは言いました.彼は、ストレス下で突然変異を生成するメカニズムが高度に調節されていることを示しており、他の力の副産物としてではなく、目的のために存在することを示唆しています.
フォスター氏は、両方の解釈が正しいと信じていると述べた。彼女は、細胞は当初、細胞の生存を改善するためにストレス下でさまざまな DNA 修復メカニズムを進化させた可能性があると示唆しました。結果として生じたより高い突然変異率は、「適応値のためにシステム内に維持された事故」であった可能性がある.
ストレスによって誘発された突然変異が目的のために進化したというローゼンバーグの主張をさらに推し進めるために、彼女のチームは現象の発生に必要な遺伝子のネットワークを調査しました。 2012 年に Science に掲載された結果は、プロセスに必要な 90 以上のタンパク質を特定しています。半数以上がストレスを感知するか、ストレス応答をオンにすることに関与しており、ローゼンバーグ氏によると、細胞がストレスに応答するために意図的に突然変異メカニズムを構築したという考えが支持されています.
この分野での 20 年間の研究を経て、「私は今、進化を、以前よりも応答性が高く、可塑的で、訓練可能、または「スマート」であると考えています」と Rosenberg 氏は述べています。 「他の人たちもこの方向に視点を変えたと思います。」
