遺伝子には、人と同じように家族がいます。つまり、時間を遡って、始祖に至る血統です。その祖先は増殖して広がり、新しい反復ごとに少しずつ変形していきました.
過去 40 年間、科学者たちは、これが新しい遺伝子が生まれる主な方法であると考えていました。つまり、既存の遺伝子のコピーから単に発生しただけです。古いバージョンはその役割を果たし続け、新しいコピーは新しい機能を進化させるために自由になりました.
ただし、特定の遺伝子は、その起源の話に反しているようです。彼らには既知の親戚がなく、他のどの遺伝子とも似ていません。それらは、人里離れた熱帯雨林の奥深くで発見された謎の獣と同等の分子であり、地球上の他のものとは一見無関係な生物学的謎です.
これらのオーファン遺伝子がどこから来たのかという謎は、何十年も科学者を悩ませてきました。しかし、ここ数年で、かつては異端だったという説明が急速に勢いを増しています。つまり、これらの孤児の多くは、いわゆるジャンク DNA、または非コード DNA、つまり遺伝子間の謎の DNA ストレッチから生じたというものです。カリフォルニア大学デービス校の生物学者である David Begun 氏は、「遺伝子機能は何らかの形で生まれます」と述べています。
この変態はかつて不可能であると考えられていましたが、酵母やハエからマウスやヒトに至るまでの生物における例が増えていることから、ほとんどの分野でこれらの変態はde novoであると確信しています。 遺伝子が存在します。一部の科学者は、それらが一般的でさえあるかもしれないと言っています。ちょうど先月、ウィーンで開催された分子生物学・進化学会で発表された研究により、600 の潜在的に新しいヒト遺伝子が特定されました。 「de novo の存在 遺伝子はまれなものであると考えられていました」と、研究を発表したバルセロナのホスピタル・デル・マー研究所の進化生物学者であるマル・アルバは言いました。 「しかし、人々はますますそれを目にするようになりました。」
研究者はde novoということを理解し始めています 遺伝子はゲノムの重要な部分を構成しているように見えますが、科学者はその数や役割についてほとんどわかっていません。さらに、これらの遺伝子の突然変異は、壊滅的な失敗を引き起こす可能性があります。ドイツのミュンスター大学のバイオインフォマティシャンである Erich Bornberg-Bauer は、次のように述べています。
孤児の追跡
標準的な遺伝子重複モデルは、何千もの既知の遺伝子ファミリーの多くを説明しますが、限界があります。これは、ほとんどの遺伝子革新が生命の歴史の非常に早い段階で発生したことを意味します。このモデルによると、35 億年前の最も初期の生体分子は、一連の遺伝的ビルディング ブロックを作成したことになります。人生の新しい繰り返しは、それらのビルディングブロックを微調整することに限定されます.
しかし、生命のツールキットが非常に限られている場合、進化はどのようにして今日の地球上に見られる膨大な動物を生み出すことができたのでしょうか? 「新しい部品が古い部品からしか生まれない場合、開発における根本的な変化を説明することはできません」と、Bornberg-Bauer 氏は述べています。
厳密な重複モデルでは十分ではない可能性があるという最初の証拠は、DNA 配列決定技術が定着した 1990 年代に現れました。酵母のゲノムを分析した研究者は、生物の遺伝子の 3 分の 1 が他の生物の既知の遺伝子と類似していないことを発見しました。当時、多くの科学者は、これらの孤児がまだ発見されていない家族に属していると想定していました.しかし、その仮定は真実であることが証明されていません。過去 10 年間、科学者は何千もの多様な生物の DNA 配列を決定しましたが、多くのオーファン遺伝子は依然として分類されていません。彼らの起源は謎のままです。
2006 年に Begun は、遺伝子が非コード DNA から実際に存在する可能性があるという最初の証拠のいくつかを発見しました。彼は、標準的な実験用ショウジョウバエ キイロショウジョウバエ の遺伝子配列を比較しました。 、他の密接に関連するショウジョウバエ種と。異なるハエは、ゲノムの大部分を共有しています。しかし、Begun と共同研究者は、1 つか 2 つの種だけに存在し、他の種には存在しないいくつかの遺伝子を発見しました。これらの遺伝子は既存の祖先の子孫ではないことを示唆しています。代わりに、ショウジョウバエのゲノムのジャンク DNA のランダムな配列が、機能する遺伝子に変異する可能性があると提案し始めました.
しかし、ランダムな DNA 配列から遺伝子を作成することは、スクラブル タイルの瓶を床に投げ捨て、文字が一貫した文を綴ることを期待するのと同じように見えます。ジャンク DNA は、細胞による読み取りや RNA への変換を可能にする突然変異と、遺伝子がいつどこで活性化されるべきかを示す調節成分を蓄積する必要があります。そして文と同じように、遺伝子には始まりと終わりがなければなりません。つまり、その始まりと終わりを知らせる短いコードです。
さらに、遺伝子によって生成される RNA またはタンパク質は有用でなければなりません。新しく生まれた遺伝子は有毒であることが判明し、アルツハイマー病患者の脳内で凝集するような有害なタンパク質を生成する可能性があります.ツーソンにあるアリゾナ大学の生物学者 Joanna Masel は、「タンパク質は誤って折りたたまれて大混乱を引き起こす傾向が強い」と述べています。 「ランダム配列が非常に多くの問題を引き起こすと予想される場合、ランダム配列から新しいタンパク質を取得する方法を理解するのは困難です.」 Masel は、進化がこの問題を回避する方法を研究しています。
Begun の仮説のもう 1 つの課題は、真の de novo を区別するのが非常に難しいことでした。 祖先から劇的に変化した遺伝子。 (真の de novo を特定することの難しさ 遺伝子は、この分野での論争の源であり続けています。)
10 年前、マックス プランク進化生物学研究所の生物学者であるディートハルト タウツは、ベガンの考えに懐疑的な多くの研究者の 1 人でした。 Tautz は、オーファン遺伝子について別の説明を見つけました。一部の謎の遺伝子は非常に急速に進化し、その祖先を認識できなくなりました。他の遺伝子は、既存の遺伝子の断片を再編成することによって作成されました。
その後、彼のチームは Pldi に遭遇しました ドイツのサッカー選手、ルーカス・ポドルスキにちなんで名付けられました。この配列は、マウス、ラット、およびヒトに存在します。後者の 2 つの種では、それはサイレントのままです。つまり、RNA やタンパク質に変換されません。 DNA が活性化されているか、RNA に転写されるのはマウスのみであり、重要であると思われます — DNA を持たないマウスは精子が遅く、睾丸が小さくなります。
研究者たちは、非コード化 DNA のサイレント部分をアクティブな遺伝子に変換する一連の突然変異を追跡することができました。その研究は、新しい遺伝子が真に de novo であることを示しました そして、それが既存の遺伝子ファミリーに属し、単に認識を超えて進化したという代替案を除外しました. 「その時、OK、それは可能に違いないと思いました」と Tautz 氏は言いました。
新しい遺伝子の波
科学者たちは現在、de novo の明確な例を数多くカタログ化しています。 遺伝子:有性生殖か無性生殖かを決定する酵母の遺伝子、飛ぶために不可欠になったハエやその他の 2 羽の昆虫の遺伝子、および人間だけに見られる一部の遺伝子のうち、その機能は興味をそそるほど不明なままです。
先月開催された分子生物学と進化学会の会議で、Albà と共同研究者は数百の推定de novoを特定しました。 RNA を分析するための強力な新しい技術を使用して、人間とチンパンジーの遺伝子 — 以前の研究の 10 倍以上 — を使用しています。 Albà のチームが発見した 600 個のヒト固有の遺伝子のうち、80% はまったく新しいもので、これまで特定されたことはありません。
残念ながら、de novo の機能を解読中 遺伝子は、それらを識別するよりもはるかに困難です。しかし、少なくとも彼らの何人かは、親指をいじるのと遺伝的に同等のことをしていません. de novo の一部が 遺伝子はすぐに不可欠になります。ショウジョウバエの新しい遺伝子の約 20% が生存に必要なようです。そして、他の多くは自然淘汰の兆候を示しており、生物にとって有益なことを行っている証拠です.
ヒトでは、少なくとも 1 つの de novo 遺伝子は脳内で活性化されており、一部の科学者は、そのような遺伝子が脳の進化を促進するのに役立った可能性があると推測しています。変異すると癌に関連するものもあり、細胞内で重要な機能を持っていることを示唆しています。ダブリンのトリニティ カレッジの遺伝学者で、最初の人間のde novoを特定した Aoife McLysaght は、次のように述べています。
無差別タンパク質
de novo 遺伝子はまた、タンパク質がどのように見え、どのように機能するかについての私たちの概念の変化である、より大きな変化の一部でもあります. de novo 遺伝子はしばしば短く、小さなタンパク質を生成します。正確な構造に折り畳まれるのではなく — タンパク質がどのように振る舞うかという従来の概念 — de novo タンパク質はより無秩序な構造を持っています。これにより、タンパク質がより多くの分子に結合できるようになり、少しフロッピーになります。生化学の用語では、これらの若いタンパク質は無差別です。
科学者は、これらのより短いタンパク質がどのように振る舞うかについてまだ多くを知りません。これは主に、標準的なスクリーニング技術がそれらを無視する傾向があるためです.遺伝子とそれに対応するタンパク質を検出するためのほとんどの方法は、既存の遺伝子とある程度の類似性を持つ長い配列を選び出します。 「これらを見逃すのは簡単です」と Begun は言いました。
それが変わり始めています。科学者はより短いタンパク質の重要性を認識するにつれて、新しい遺伝子発見技術を実装しています。その結果、de novo の数は 遺伝子が爆発するかもしれません。 「より短い遺伝子が何をするのかはわかっていません」とMasel氏は言います。 「生物学における彼らの役割について、学ぶべきことがたくさんあります。」
科学者はまた、どのようにde novoが起こるのかを理解したいと考えています。 遺伝子は、細胞を駆動する反応の複雑なネットワークに組み込まれます。これは特に不可解な問題です。まるで自転車が自然に新しい部品を成長させ、それがなくても自転車が正常に機能していたとしても、それを急速に機械に組み込んだようなものです。 「この質問は魅力的ですが、まったく知られていません」と Begun 氏は言いました。
ESRG と呼ばれるヒト固有の遺伝子は、この謎を特によく示しています。シーケンスの一部は、サルや他の霊長類に見られます。しかし、それはヒトでのみ活性があり、最も初期の胚性幹細胞を維持するために不可欠です.それでも、サルとチンパンジーは、それがなくても胚性幹細胞を完全に作ることができます. 「他の生物も同様にこれらの幹細胞を持っているため、それは遺伝子よりも前に存在しなければならない機能を実行するヒト固有の遺伝子です」と McLysaght 氏は述べています。
「新規遺伝子はどのように機能するようになるのか?実際の細胞プロセスにどのように組み込まれるのでしょうか?」マクリサクトは言った。 「私にとって、それが現時点で最も重要な質問です。」
