生命誕生のヒントを巨大ウイルスから発見|生き物

Chantal Abergel と Jean-Michel Claverie は、奇妙なウイルスの発見に慣れていました。エクス・マルセイユ大学の結婚したウイルス学者は、それでキャリアを築いていました。しかし、2013 年に 30,000 年以上凍結されていたシベリアの土のサンプルから発見されたピソウイルスは、2 人が想像していたウイルスよりも奇妙でした。

微生物の世界では、ウイルスは小さいことで有名です。ピソウイルスではありません。これまでに発見された最大のウイルスであるピソウイルスは、一部の細菌よりも巨大です。ほとんどのウイルスは、宿主の分子機構をハイジャックすることで自分自身をコピーします。しかし、ピソウイルスははるかに独立しており、独自の複製機構を持っています.ピソウイルスの比較的多数の遺伝子は、遺伝的に単純であることが多い他のウイルスとの差別化にもなっています。ピソウイルスには約 500 の遺伝子があり、一部はタンパク質の作成や DNA の修復と複製などの複雑な作業に使用されます。「ウイルスについて教えられたこととはまったく異なっていました」と Abergel 氏は言います。

3月に初めて明らかにされた驚くべき発見は、ウイルスが何であるかについての科学者の概念を拡大するだけではありません.生命の起源に関する議論の枠組みを変えています。

科学者は伝統的に、ウイルスは細胞の出現後に出現する、進化段階の比較的後発者であると考えてきました。ハーバード大学の生化学者でノーベル賞受賞者のジャック・ショスタク氏は、「彼らは複製を助けるために細胞機構に依存しているため、その機構を利用するにはある種の原始細胞が必要です。言い換えれば、ウイルスは細胞から離れたところにいるので、細胞がなければウイルスは存在できません。

しかし、一部の科学者は、巨大ウイルスの発見により、その生命観が覆される可能性があると述べています。彼らは、現代のウイルスの祖先は、進化の遅れから遠く離れて、細胞生命の発達のための原材料を提供し、その多様化を地球の隅々を満たすさまざまな生物に駆り立てた可能性があると提案しています.

「これらの巨大なウイルスは、単純なウイルスのような要素の世界が、より複雑なものに進化する可能性があることを示す完璧な例です」と、国立衛生研究所の計算生物学者である Eugene Koonin は述べています。 Koonin は、6 月にジャーナル Microbiology and Molecular Biology Reviews に掲載された論文で、生命のウイルス起源に関する彼の理論を説明しました。彼と他の人々は、ウイルスのような要素が生命の出現における最も重要な段階のいくつかに拍車をかけたという証拠を蓄積しています.DNAの進化、最初の細胞の形成、そして生命の3つのドメイン - 古細菌、細菌、真核生物への分割です。古細菌とバクテリアはすべて単細胞生物であり、真核生物は古細菌とバクテリアの間の古代の融合イベントの後に出現しました.

ウイルスの起源についての有力な理論は、ウイルスが自己複製する能力を失った一種の変性細胞から、または細胞の境界を逃れた遺伝子から出現したことを提案しています.

2003 年に初めて報告された巨大ウイルスは、一部の科学者の考え方を変え始めました。これらの新しい実体は、まったく新しい種類のウイルスを表しています。実際、英国の冷却塔に生息するアメーバから分離された最初の標本は非常に奇妙で、科学者が何を持っているかを理解するのに何年もかかりました。彼らは最初、無定形の塊が細菌であると想定しました。他のバクテリアとほぼ同じ大きさで、一部のバクテリアだけに付着する薬品で染色すると鮮やかな藍色に変わりました。しかし、英国の優秀な微生物学者のチームでさえ、実験室で生物を育てることができませんでした.多くの種類のバクテリアは実験室で増殖することが不可能ではないにしても困難であるため、科学者はそれについてあまり考えず、サンプルを冷凍庫に入れました.

ほぼ 10 年後、英国の好奇心旺盛な大学院生が、微生物のサンプルをフランスの微生物学者で、増殖が困難な細菌を専門とするディディエ・ラウルに持っていきました。彼は、今度は強力な電子顕微鏡を使って、ブロブを見ました。運が良ければ、Abergel と Claverie は別のプロジェクトで彼と協力していました。彼らはすぐにその生物のウイルスのような形を認識しました — 20 面体のさいころを想像してみてください。それぞれの面が三角形でした — たとえその標本がウイルスが見たどのウイルスよりも数倍大きかったにもかかわらずです.

Abergel 氏と Claverie 氏がウイルスのゲノムを調べたところ、1,000 近くの遺伝子が含まれていることがわかりました。これは細菌の数に匹敵します。科学者たちは、アメーバが典型的なバクテリアの食事と間違えているように見えるため、これを MImicking MIcrobe virus から mimivirus と名付けました。

Abergel と Claverie は、自然界には巨大なウイルスがたくさんあるが、そのサイズのために検出されないのではないかと考えていました。彼らは、訪れたほぼすべての場所からアメーバで満たされた水のサンプルを採取しました。オーストラリアのメルボルンの小川から採取したサンプルと、チリの沖合で採取したサンプルの 2 つで、アメーバの中でさらに大きなウイルスが増殖していることがわかりました。これをパンドラウイルスと名付け、昨年の Science 誌の研究で説明しました。「このウイルスは非常に奇妙だったので、すべての実験を 10 回繰り返しました」と Abergel 氏は述べています。「私たちは間違いを犯したと思い続けていました。」

約 2,500 という驚異的な数の遺伝子を持つパンドラウイルスは、まったく新しい種類のウイルスの生命を告げるものと思われました。「その遺伝子の 90% 以上は、地球上で見つかった他のものとは似ていませんでした」と Abergel 氏は述べています。「私たちはパンドラの箱を開けていましたが、中に何が入っているのかわかりませんでした。」

そして数ヶ月前、彼らはピソウイルスを発見しました。ピソウイルスは、パンドラウイルスよりも小さく、同じくらい奇妙な遺伝子を持っています。これらの奇妙な遺伝子により、科学者はすぐに巨大ウイルスの起源を推測するようになりました。ピソウイルスの遺伝子は科学者がこれまでに見たものとは非常に異なっていたため、巨大ウイルスの祖先が生命の歴史の早い段階で進化した可能性があるように思われました。しかし、この考えは、ウイルスが進化するのはかなり後になるという一般的に受け入れられている見解と矛盾しています。巨大ウイルスは、ウイルスがどのように進化したかを研究する絶好の機会を提供します。なぜなら、それらは他のウイルスとは遠い関係にあり、ウイルスの進化についてまだ見られていない視点を提供するからです。しかし、ウイルスが出現した正確な時期は、細胞生命の発達の前か後か?

Koonin はしっかりと「前」陣営にいます。ウイルスの世界と呼ばれる彼の理論によると、現代のウイルスの祖先は、すべての生命がまだ遺伝情報、アミノ酸、脂質の浮遊シチューであったときに出現しました。遺伝物質の最も初期の断片は、比較的少数の遺伝子を含む短い RNA 断片であった可能性が高く、これらの断片は、他の浮遊する遺伝物質の断片に寄生して自分自身のコピーを作成することがよくありました。これらのむき出しの遺伝情報の断片は、太古の遺伝子フリーマーケットで遺伝子を交換し、他の要素から譲り受けたものを流用し、不要になった遺伝子を破棄しました。

時間が経つにつれて、寄生遺伝要素は自分自身で複製することができず、細胞宿主から離れた現代のウイルスに進化した.彼らが寄生した遺伝子は、最終的に細胞に進化した遺伝的フリーローダーから身を守るために、さまざまな種類の遺伝情報やその他のバリアを進化させ始めました.

ウイルス世界理論は、生命が最初に複雑な DNA を運ぶ生物にゆっくりと発達した RNA の小さな断片として進化したという RNA 世界理論と密接に関連しています。ウイルス世界理論は、生命の遺伝物質が RNA として始まったことに同意しています。しかし、ウイルスの祖先は細胞よりも前に進化したと主張する点で異なります。

支持者は、いくつかの証拠を指摘しています。第一に、ウイルスの多様性は、細胞生命に見られるものをはるかに超えています。オレゴン州立大学のウイルス学者で植物細胞生物学者であり、クーニンと協力しているヴァレリアン・ドルジャは、「多様性のあるところに起源がある」と語った。この観点によれば、ウイルスが細胞から発生した場合、細胞にはウイルスが利用できる全範囲の遺伝子が含まれているため、ウイルスの多様性は低くなるはずです。これは進化生物学で繰り返されるテーマです。人間がアフリカで生まれたことがわかっている理由の 1 つは、その大陸の住民の遺伝的多様性が他の場所よりもはるかに大きいことです。この多様性のパターンが人間に当てはまるのであれば、ウイルスにも当てはまらない理由はないと Dolja 氏は述べています。

ウイルスは、繁殖に関してもより多様です。「細胞が DNA を複製する主な方法は 2 つしかありません」と、パリ南大学のウイルス学者である Patrick Forterre 氏は述べています。「1つはバクテリアに、もう1つは古細菌と真核生物に見られます。」一方、ウイルスには、自由に使える方法がもっとたくさんあると彼は言いました.

Forterre は、ウイルスが原始細胞の後、現在の細胞の前に進化したことを示唆しています。生命の 3 つの異なるドメインに感染するウイルスの一部は、同じタンパク質をいくつか共有しており、生命がこれらの 3 つの枝に分岐する前に進化した可能性があることを示唆しています。 Forterre は、ウイルス遺伝子の挿入の結果であることが明らかな DNA の断片を除いて、細胞生活におけるこれらのタンパク質をまだ特定していません。「ウイルスは、地球上のすべての生命の最後の普遍的な共通の祖先の前に存在しなければなりませんでした」と Forterre は言いました。

異常な遺伝子にもかかわらず、巨大ウイルスは天然痘を含む核細胞質大型 DNA ウイルスとして知られるより大きなウイルス科に分類されています。巨大ウイルスは天然痘よりもはるかに複雑であるため、科学者は当初、それらがより伝統的なウイルスのいとこよりも遅く進化したと考えていました.しかし、より最近の研究では、これらのウイルスも生命の歴史の非常に早い段階で進化したことが示されています。イリノイ大学アーバナシャンペーン校のバイオインフォマティクスの専門家である Gustavo Caetano-Anolles は、ジャーナル BMC Evolutionary Biology の 2012 年の研究で、いくつかの巨大ウイルスで見つかったタンパク質の進化の歴史をたどりました。彼の研究は、これらのウイルスが「地球上の他のすべての生物の子孫である最新の生物である最後の普遍的な共通の祖先よりも前に存在したか、それと共存した生命体を表している」ことを示しています。巨大ウイルスがカエタノアノレスの計算と同じくらい古いものである場合、その影響は驚くべきものです。これは、巨大なウイルスまたはその祖先の 1 つが他の種類の生命の前に存在し、私たちが知っている生命の形成に大きな役割を果たした可能性があることを意味します。これは、ウイルスがこの地球上で支配的な進化の力の 1 つであり、各生物には深いウイルスの過去があることを意味している可能性があります。

Szostakは、ウイルスが強力な進化の力であり、科学者が以前に考えていたよりも早く進化したことについて、Kooninや他の人々に同意します.しかし、彼は、細胞の発達前に存在していた可能性が高いことに同意する寄生遺伝要素（他の遺伝物質を使用して自分自身のコピーを作成する遺伝物質の小さな断片）と、それなしでは存在できない真のウイルスを区別しています。

「小さな RNA 分子の束を混ぜ合わせると、寄生配列の束ができてしまいます。これらの配列は、自分自身のコピーを他の何よりも速く作ること以外には何の役にも立たないのです」と Szostak 氏は述べた。これらの配列が現代のウイルスに似たものになるには、別の RNA 鎖だけでなく、生きた細胞に寄生する必要があります。

Dolja は、ウイルスがなければ細胞は進化できなかったと言って、これに反対している。「RNA から DNA に移行するには、逆転写酵素と呼ばれる酵素が必要です」と Dolja 氏は言います。「細胞内ではなく、HIVのようなウイルスにのみ見られます。では、ウイルスの助けなしに、細胞はどのようにして DNA を使い始めることができるのでしょうか?」

しかし、Abergel と Claverie は、ウイルスは細胞から発生したと考えています。 Forterre と共同研究者は、巨大ウイルスに見られる独特の遺伝子は、それらが現代の細胞よりも前に進化した兆候であると主張しているが、Abergel と Claverie は異なる説明をしている.巨大ウイルスは、現在絶滅している細胞系から進化した可能性がある.この理論によれば、巨大ウイルスの祖先は、独立した生命体として複製する能力を失い、その DNA をコピーするために他の細胞に依存することを余儀なくされました。これらの古代細胞の遺伝子の断片は、現代のミミウイルス、パンドラウイルス、およびピソウイルスで生き残り、このグループで見つかった独特の遺伝子を説明する. 「生命の祖先は 1 人ではありませんでした」と Claverie 氏は言います。「たくさんの細胞のような生物が競い合っていましたが、そのうちの 1 つが勝者となり、今日知られている生命の基礎を形成しました。」

ウイルスがいつ、どのように最初に進化したかについての議論が決着する可能性は低いです。それは、時間とともに歴史が薄れつつある質問に答えようとする性質です。しかし、Abergel 氏と Claverie 氏は、巨大なウイルスがあらゆる答えの鍵になると信じ続けています。ペアは、巨大なウイルスの進化だけでなく、おそらくすべてのウイルスの進化を明らかにすることを望んでいる、さらに大きくて奇妙な反復を探しています. 「どこを見ても、巨大なウイルスが見つかります」とクラヴェリーは言いました。「私たちが素晴らしいか、これらのものはどこにでもあります。」

2014 年 7 月 11 日に修正: この記事の以前のバージョンでは、特徴的なウイルスの形状を、それぞれの面が六角形の 20 面のサイコロとして誤って説明していました。サイコロの各面は三角形で、形状は 2 次元では六角形のように見えます。