タマネギを取ります。とても薄くスライスします。紙よりも薄い：単細胞の薄さ。次に、DNAを染色するために調理された一連の化学浴にスライスを浸します。染色されたストランドは、輝くマゼンタで表示される必要があります。これは、夫婦のベッドのバラの花びらのように鮮やかな人生の指示の指紋です。これで、各細胞に含まれる DNA の量を数えることができます。単純に量と密度の問題です。コンピューターは数秒で答えをフラッシュできます:17 ピコグラム。これは約 160 億の塩基対で、DNA 鎖の分子リンクです。
たぶん、その数字はあなたにとってあまり意味がありません。あるいは、あなた自身の遺伝的設計図が 30 億塩基対しかないことを思い出して、頭を悩ませているかもしれません。 "は？"イギリスのキュー王立植物園の進化生物学者イリア・リーチは冗談を言った。彼女の反応は、科学者が 70 年以上前に種のゲノムを比較し始めて以来、この矛盾に当惑してきた無数の人間中心の頭脳の混乱を真似たものでした。 「なぜタマネギは私たちの 5 倍の DNA を持っているのでしょうか?彼らは 5 倍賢いのですか?」
もちろん、生物の複雑さとその遺伝暗号の重さとの間の関連性に関する仮説を覆したのはタマネギだけではありませんでした。 1951 年に発表された動物ゲノム サイズの最初の広範な調査で、それぞれ分子生物学と電子顕微鏡法の先駆者である Arthur Mirsky と Hans Ris は、ヘビのようなサンショウウオ Amphiuma を信じられないと報告しました。 ニワトリの 70 倍の DNA を含んでおり、「はるかに高度に発達した動物」です。その後の数十年は、さらに多くの驚きをもたらしました。バッタよりも小さいゲノムを持つ飛ぶ鳥。哺乳類よりも大きなゲノムを持つ原始肺魚。顕花植物の DNA は人間の 50 分の 1 で、顕花植物の DNA は人間の 50 分の 1 です。知られている最大のゲノムを持つ単細胞原生動物。
ウイルスの遺伝的ミニチュアを別にしても、これまでに測定された細胞ゲノムのサイズは 100 万倍以上異なります。小石とエベレスト山を考えてみてください。 「それはただクレイジーです」とリーチは言いました。 「それはなぜですか？」
1980 年代までに、生物学者は部分的な答えを得ました。ほとんどの DNA は遺伝子 (細胞のビジネスを実行する分子に翻訳される機能的なコード行) で構成されていません。 「大きなゲノムには膨大な量の非コード DNA があります」とリーチは言いました。 「それが違いを生み出しているのです。」
しかし、この説明は賢いタマネギのパラドックスを解決しましたが、特に満足できるものではありませんでした.オンラインの動物ゲノムサイズデータベースを運営するグエルフ大学の生物学者、ライアン・グレゴリー氏は、「それはより多くのワームの缶を開けただけです.たとえば、一部のゲノムには非コード DNA がほとんど含まれていないのはなぜですか?また、物議をかもしていることですが、「ジャンク DNA」と呼ばれることも多いのですが、他のゲノムにはそれが蓄えられています。このように散らかったり、散らかったりしないことは、目的にかなっていますか?
この 2 月、Aurélie Kapusta が当時ユタ大学の遺伝学者であった Cedric Feschotte と、スウェーデンのウプサラ大学の進化生物学者である Alexander Suh と一緒にポスドクとして働いていたときに、興味をそそる手がかりが得られました。この研究は、この種のものとしては初めてのものであり、哺乳類と鳥類の多様な系統にわたってゲノム配列を比較しました。種が進化するにつれて、ゲノムの平均サイズは比較的一定に保たれていましたが、驚くべき量の DNA を獲得したり放出したりしたことが示されました。 「ゲノムは非常に動的で、非常に弾力性があることがわかります」と、現在コーネル大学にいる Feschotte 氏は述べています。
この途方もない DNA ターンオーバーを説明するために、Feschotte は、進化の「アコーディオン モデル」を提案しています。このモデルでは、ゲノムが拡張および収縮し、永久に新しい塩基対を収集して古い塩基対を廃棄します。これらの分子体操は単なる好奇心以上のものです。それらは、ゲノムを形成する隠れた力と、ゲノムが生み出す生物を示唆しています。
DNA のダイナミクス
遺伝が単なる遺伝子以上の伝達を伴うことを示す最初の兆候が現れたのは、Mirsky と Ris がサンショウウオのゲノムの巨大さに驚嘆していた頃でした。 1940 年代、スウェーデンの遺伝学者 Gunnar Östergren は、いくつかの植物に見られる奇妙な遺伝構造に魅了されました。 Östergren は、B 染色体として知られるこの構造は、「それを持っている種にとってまったく有用な機能を持っていないように見える」と書いています。彼は、これらの無関係な配列は「遺伝的寄生虫」、つまり「宿主」ゲノムの生殖機構のハイジャッカーであると結論付けました。 30 年後、進化生物学者のリチャード ドーキンスは、1976 年に人気を博した著書 The Selfish Gene でこの考えを固めました。;この理論は、ゲノムサイズを説明するためにすぐに適用されました.
その時までに、科学者たちは、B 染色体がゲノムを太らせる分子寄生虫のごく一部にすぎないことを知っていました。最も多作なフリーローダーは、トランスポゾンと呼ばれる DNA の可動ストリングであり、1944 年にその発見でノーベル賞を受賞した画期的な細胞遺伝学者であるバーバラ・マクリントックによって特定されました。トランスポゾンは「ジャンピング遺伝子」として広く知られていますが、実際には真の遺伝子であることはめったにありません。それらは世代から世代へと受け継がれるか、ウイルスのように種間で伝染する可能性があり、いくつかの種類があります。トランスポゾンをゲノムの所定の位置から切り取って別の場所に貼り付ける酵素をコードするものもあります。他のものは、RNA テンプレートを作成したり、他のトランスポゾンから酵素を盗んだりして、自分自身をコピーします。 (「寄生虫の中から寄生虫を得ることができます」とグレゴリーは言いました。)
これらのコピーがどのように急速に増殖し、最終的にゲノムの大部分を引き継ぐかを理解することは難しくありません。 (ハエの単一世代で 100 以上のハエが出現することがあります。それらはトウモロコシのゲノムの 85% を構成し、私たち自身のゲノムのほぼ半分を占めています。) 「利己的な DNA」理論の支持者は、この山積みをゲノム進化の原動力と見なしました。細胞核の生態系内では、自然淘汰は急速に増殖するトランスポゾンに有利に働きます。しかし、ある点までです。ゲノムが特定のサイズに達すると、その大きさが生物の幸福を妨げ始めます。たとえば、細胞の分裂が遅くなり、生物の成長速度が遅くなります。選択が再び開始され、それ以上の拡張が妨げられます。制限は生物の生物学に依存します。
新しい証拠がすぐにこの状況を複雑にしました。 1990 年代後半、当時ハーバード大学の博士課程の学生だったドミトリ・ペトロフは、昆虫の小さな変異の追跡を開始しました。これは、DNA 損傷、コピーミス、不十分な鎖修復に起因する最大数百塩基対のランダムな遺伝子変化です。彼はハエから始めました。機能していないトランスポゾンを分析したところ、古いコードは、新しい行が書き込まれるよりも早く破棄されることが示されました (ランダムな突然変異は、新しい塩基対を挿入するよりも、既存の塩基対を削除する可能性が高いためです)。彼は、この「欠失バイアス」がハエの比較的コンパクトなゲノムを説明するのではないかと考えました。彼は、コオロギとバッタのゲノムがそれぞれハエの 10 倍と 100 倍の大きさである実験を繰り返しました。今回は、削除率は依然として優勢ですが、実際にはかなり遅くなっています。一部のゲノムが他のゲノムよりもかさばっていたのは、単に破片を一掃するのが遅かったからですか?
これらおよび同様の観察に基づいて、ペトロフはゲノムサイズの新しいモデルを提示しました。彼は、トランスポゾンは常に蓄積し、時には非常に急速に蓄積すると主張した. (例えば、トウモロコシはわずか 300 万年でそのゲノムを 2 倍にしました。) しかし、何年にもわたって、小さな切り出しがゆっくりとゲノムの大部分を削り取っていきます。最終的に、抹消のペースは創造のペースと一致し、ゲノムは平衡状態に落ち着きます。混沌とした核内の力の数に関係なく、このバランスを設定またはリセットする可能性があります.
誰もが納得したわけではありません。たとえば、Gregory は、多くの系統におけるゲノムサイズの劇的な変化を説明するには、自発的な変化が遅すぎると主張しました。しかし、喪失が強力な変革の力であったことは誰も否定できませんでした。グレゴリーが The Evolution of the Genome で書いたように 、「[トランスポゾン] とその宿主の間には、厳密な寄生よりも複雑な相互作用があります。」トリッキーな部分はそれらを見つけることでした.
コウモリのはためくゲノム
フェショッテの場合、ヒントはコウモリだった。 2000 年代初頭までに、DNA 配列決定の進歩に伴い、研究室は全ゲノムの解読とデータのオンライン共有を開始しました。当時、Feschotte のグループは、ゲノム サイズの進化のダイナミクスには特に関心がありませんでしたが、トランスポゾンが生命の歴史について何を明らかにできるかについて非常に興味を持っていました。したがって、共通のコブシコウモリ (Myotis lucifugus) のゲノムが )、コウモリからの最初のゲノム配列が 2006 年に登場したとき、Feschotte は感激しました。コウモリは、哺乳類としては驚くほど小さなゲノムを持っています — 鳥類のゲノムに似ています — そして、彼らは驚くべきことをする可能性が高いように思われました.
生物の 20 億の塩基対を解析した Feschotte と彼の同僚は、奇妙なことに遭遇しました。 「非常に奇妙なトランスポゾンがいくつか見つかりました」と彼は言いました。これらの奇妙な寄生虫配列は他の哺乳類には見られなかったため、コウモリが他の系統から分岐した後に侵入した可能性が高く、おそらく 3000 万から 4000 万年前に昆虫のおやつから拾われたのでしょう。さらに、彼らは信じられないほど活発でした。 「おそらく、コウモリのゲノムの 20% 以上が、このかなり最近のトランスポゾンの波に由来しています」と Feschotte 氏は述べています。 「トランスポゾンの活動が爆発的に増加すると、サイズの増加が予測されるため、パラドックスが生じました。」代わりに、コウモリのゲノムは縮小しました。 「それで私たちは当惑しました。」
考えられる説明は 1 つだけありました。コウモリは大量の DNA を投棄したに違いありません。 Kapusta が 2011 年に Feschotte の研究室に加わったとき、彼女の最初のプロジェクトは、その量を調べることでした。コウモリと他の 9 種類の哺乳類のトランスポゾンを比較することで、彼女は多くの系統がどの部分を共有しているかを知ることができました。これらは、共通の祖先から来たに違いないと彼女は判断した。 「まるで化石を見るようなものです」と彼女は言いました。研究者たちは、1億年前に存在していた可能性のある古代の哺乳類ゲノムの大まかな再構成を以前に組み立てていました。 28 億塩基対で、ほぼ人間の大きさでした。
次に、Kapusta は各血統がどれだけの祖先の DNA を失い、どれだけの新しい材料を獲得したかを計算しました。彼女と Feschotte が推測したように、コウモリの系統は塩基対をかきまぜ、10 億以上を投棄し、さらに数億しか蓄積していなかった。しかし、あごを落としたのは他の哺乳類でした。
ゲノムサイズに関して言えば、哺乳類は特に多様ではありません。昆虫や両生類などの多くの動物グループでは、ゲノムは 100 倍以上異なります。対照的に、哺乳類の最大のゲノム (レッド ビスカチャ ラット) は、最小のゲノム (曲がった翼のコウモリ) の 5 倍しかありません。多くの研究者はこれを、哺乳類のゲノムにはあまり進んでいないことを意味すると考えています。著名な遺伝学者で分子進化の専門家である大野進は、1969 年に次のように述べています。「この点で、哺乳類の進化はあまり興味深いものではありません。」
しかし、Kapusta のデータは、哺乳類のゲノムが単調ではなく、膨大な量の DNA を刈り取り、一掃したことを明らかにした。マウスを取ります。そのゲノムは、1 億年前とほぼ同じサイズです。それでも、オリジナルはほとんど残っていません。 「これは大きな驚きでした。結局、マウスゲノムの 3 分の 1 しか同じではありませんでした」と、現在ユタ大学および USTAR 遺伝的発見センターでヒト遺伝学の研究員を務める Kapusta 氏は述べています。同じ分析を 24 種の鳥類に適用すると、そのゲノムは哺乳類よりもさらに多様であり、それらにも生き生きとした遺伝的歴史があることが示されました。
テキサス A&M 大学の昆虫学教授である J. スペンサー ジョンストンは、次のように述べています。 「長い間サイズが変わらなかったゲノムでさえ、ただそこにとどまっていたわけではありません。どういうわけか、彼らはどのサイズになりたいかを決定し、モバイル要素がそれらを膨張させようとしたにもかかわらず、膨張しませんでした.では、次の明白な質問は、なぜそうしないのかということです。」
DNA の獲得が損失につながる仕組み
Feschotte の最良の推測は、トランスポゾン自体にある。 「それらは、利益が損失を促進するためのテンプレートを提供する非常に自然なメカニズムを提供します」と彼は言いました。方法は次のとおりです。トランスポゾンが増殖すると、ほぼ同一のコードの長い文字列が作成されます。ゲノムの一部は、同じいくつかの単語を繰り返す本のようになります。ページを切り取ると、すべてがほとんど同じに見えるため、間違った場所に貼り直す可能性があります。その本はそのままで問題なく読めると判断し、そのページをゴミ箱に捨てることさえあるかもしれません。これはDNAでも起こります。 DNA が損傷した場合や、有性生殖における遺伝子の組み換えの際に日常的に起こるように、DNA が壊れて再び結合すると、多数のトランスポゾンによって鎖の位置がずれやすくなり、ずれによって欠失が生じる可能性があります。 「アレイ全体が一度に崩壊する可能性があります」と Feschotte 氏は言いました。
この仮説は動物では検証されていませんが、他の生物からの証拠があります。 「小さなゲノムを持つ植物で見られるものとそれほど違いはありません」とリーチは言いました。 「これらの種の DNA は、増幅してから除去される 1 つか 2 つのタイプのトランスポゾンによって支配されることがよくあります。ターンオーバーは非常にダイナミックです。300 万年から 500 万年で、新しいリピートの半分がなくなります。」
これは、より大きなゲノムには当てはまりません。 「大きな植物のゲノム、そしてサンショウウオやハイギョにも見られるのは、はるかに不均一な反復のセットであり、[大量に]存在するものはありません」とリーチは言いました。彼女は、これらのゲノムがトランスポゾンをノックアウトする能力を、トランスポゾンを沈黙させる斬新で効果的な方法に置き換えたに違いないと考えています。 「彼らがしていることは、DNA にラベルを貼り付けて、非常に密集した状態になるよう信号を送ることです。つまり、押しつぶされたような状態になるため、簡単に読み取ることができません。」この変更により、繰り返しがコピーされなくなりますが、繰り返しを削除するメカニズムも壊れます。そのため、時間が経つにつれて、「新しいリピートはスタックし、通常の突然変異によってゆっくりと分岐して、古代の変性リピートでいっぱいのゲノムが生成されます」と説明しました。
その間、他の力が働いている可能性があります。たとえば、大きなゲノムはコストがかかる可能性があります。 「大きな家を経営するのと同じように、彼らはエネルギー的に高価です」とリーチは言いました.それらはまた、より大きなスペースを必要とするため、より大きな核が必要になり、より大きな細胞が必要になり、代謝や成長などのプロセスが遅くなる可能性があります.一部の集団では、特定の条件下で、自然淘汰がゲノムサイズを制限する可能性があります。たとえば、メスの弓翼のバッタは、不思議な理由で、小さなゲノムを持つオスの歌を好みます。高緯度で生育するトウモロコシも同様に、冬が始まる前に種子を生成できるように、より小さなゲノムを自己選択します.
一部の専門家は、鳥やコウモリでも同様のプロセスが進行していると推測しています。鳥やコウモリは、飛行に必要な高い代謝を維持するために小さなゲノムを必要とする可能性があります。しかし、証拠が不足しています。小さなゲノムは、鳥が空を飛ぶ上で本当に有利だったのでしょうか?それとも鳥類の飛べない恐竜の祖先のゲノムは、何か別の理由ですでに収縮し始めていたのだろうか？ 「何が原因で何が結果なのかは言えません」と Suh 氏は言います。
また、ゲノムサイズが主に偶然の結果である可能性もあります。インディアナ大学の生物学者であるマイク・リンチは、次のように述べています。 「そして、それはランダムな遺伝的浮動です。」これは集団遺伝学の原則であり、遺伝的変異は単なる運だけで多かれ少なかれ一般的になりますが、変動が少ない小さなグループでより強くなります.そのため、新しい種が分岐するなどして個体数が減少すると、たとえ生物の適合性がわずかに低下したとしても、系統がより大きなゲノムに向かって移動する可能性が高くなります。人口が増えるにつれて、選択によってこの形質が消滅する可能性が高くなり、ゲノムがスリムになります.
しかし、これらのモデルのいずれも、ゲノム形態の多様性を完全に説明するものではありません。 「私の考えでは、さまざまなレベルでさまざまな方向に押し進めるさまざまな力がたくさんあります」とグレゴリーは言いました。それらのもつれを解くには、新しい種類の実験が必要になりますが、それはすぐに手の届くところにあるかもしれません.モンタナ州立大学の進化生物学者であるクリス・オルガンは、「私たちはゲノムを書き込めるようになったばかりです。 「実験室で実際にゲノムサイズを操作し、その影響を研究できるようになるでしょう。」これらの結果は、純粋に偶然の産物であるゲノムの特徴を、機能的に重要な特徴から切り離すのに役立つ可能性があります。
多くの専門家は、カプスタのような分析をもっと見たいと思っています。 （「昆虫でも同じことをしましょう！」とジョンストンは言いました。）より多くのゲノムがオンラインになるにつれて、研究者はより多くの系統を比較し始めることができます。 「今から 4 ～ 5 年後には、すべての哺乳類の配列が解読され、より細かいスケールで何が起こっているかを確認できるようになるでしょう。」 Lynch が推測しているように、ゲノムは急速な拡大とその後の人口の拡大に伴う長期にわたる縮小を経るのでしょうか?それとも、Petrov と Feschotte のモデルが予測し、最近のハエの研究が裏付けているように、人口動態に影響されずに変化がスムーズに起こるのでしょうか?
あるいは、生命が予測できないのと同じように、ゲノムも予測できないのかもしれません — すべての規則に例外があります.ジョージア大学の植物遺伝学者であるジェフ・ベネッツェンは、「生物学的システムはルーブ・ゴールドバーグ機械のようなものです。 「何かが機能する場合、それは実行されますが、最もばかげた、複雑な、多段階の方法で実行される可能性があります。これが目新しさを生み出します。また、その目新しさが無数の方法で変化する可能性も生み出します。」
