一度に 3 つの遺伝子をノックアウトすることにより、科学者は、細胞の生存を維持する遺伝的相互作用のネットワークを入念に推測しました。研究者は、酵母細胞がなくては生きていけない必須遺伝子をずっと前に特定しましたが、今日Scienceに登場する新しい研究です 、それらだけを見ると、何が細胞を動かしているのかについて歪んだ全体像が得られることが示されています。この結果は、イースト菌、ひいては他の複雑な生物が生き残り繁栄するために必要な遺伝子の真の最小数は、驚くほど多いことを示唆しています。
約 20 年前、Charles Boone と Brenda Andrews はちょっと変わったことをすることにしました。トロント大学の教授である酵母生物学者は、遺伝子が機能的に互いにどのように接続されているかを理解するために、酵母の遺伝子を2つずつ体系的に破壊または損傷することに着手しました.酵母ゲノムの 6,000 の遺伝子のうち、約 1,000、つまり約 17% だけが生命に不可欠であると考えられています。そのうちの 1 つが欠けていると、生物は死にます。しかし、個々に存在しないだけでは終わりを告げるには十分ではない他の多くの遺伝子が、同時に破壊された場合、酵母を病気にしたり殺したりする可能性があるように思われた.それらの遺伝子は、細胞内で同じ種類の仕事をしている可能性が高いと生物学者は推論したか、同じプロセスに関与している.両方を失ったということは、酵母がそれを補うことができなくなったことを意味します。
ブーンとアンドリュースは、このアイデアを利用して、さまざまな遺伝子が何をしているかを解明できることに気付きました。彼らとその共同研究者は、それぞれ 2 つの遺伝子が欠落している 2000 万株以上の酵母を最初に生成することによって、意図的にそれを実行しました。これらの 6,000 の遺伝子のノックアウトのユニークな組み合わせのほぼすべてです。次に、研究者は、二重変異株のそれぞれがどれほど健康であるかを記録し、欠落している遺伝子がどのように関連している可能性があるかを調査しました.この結果により、研究者は生命の根底にある影のような相互関係の地図を描くことができました。 2 年前、彼らは地図の詳細を報告し、研究者がこれまで知られていなかった遺伝子の役割を発見できるようになったことを明らかにしました。
しかし途中で、彼らは実験で驚くべき数の遺伝子が他の遺伝子との明らかな相互作用を持っていないことに気付きました. 「場合によっては、2 つの遺伝子を削除するだけでは十分ではないかもしれません」と Andrews 氏は当時の考えを振り返りながら語った。研究室の大学院生で、現在マギル大学のポスドクである Elena Kuzmin は、3 番目の遺伝子をノックアウトすることで、さらに一歩進めることにしました。
Science で今日発表された論文で 、Kuzmin、Boone、Andrews と、トロント大学、ミネソタ大学などの共同研究者らは、細胞の内部の働きについてより深く詳細な地図を作成したと報告しています。二重突然変異実験とは異なり、研究者は可能なすべての突然変異の組み合わせを作成したわけではありません.酵母の3つの遺伝子をノックアウトするには、約360億の異なる方法があります.代わりに、彼らはすでにノックアウトした遺伝子のペアを調べ、その相互作用を重症度に応じてランク付けしました.彼らは、細胞の増殖を少し遅くするものから著しく障害を与えるものまで、さまざまな効果を持つこれらのペアをいくつか取り、他の遺伝子のノックアウトと1つずつ一致させ、約200,000の三重変異株を生成しました。彼らは、変異酵母のコロニーがどれだけ速く成長するかを監視し、どの変異株が苦労しているのかを確認した後、データベースをチェックして、無効になった遺伝子が何をしていると考えられているかを調べました.
科学者たちが新しい地図を作成するにつれて、いくつかのことが明らかになりました。 1つは、追加の遺伝的相互作用を示した三重変異体の約3分の2で、3番目の遺伝子をノックアウトすると、二重変異体が抱えていた問題が悪化する傾向があった.アンドリュース氏は、遺伝子のペアはすでに相互に何らかの相互作用を示している可能性がありますが、「3 番目の遺伝子を削除すると、さらに深刻になりました」と述べています。 Boone 氏は、これらの状況は、3 番目の遺伝子の喪失が、すでに衰弱しているシステムに重大な打撃を与えている可能性が高いと述べています。
ただし、相互作用の 3 分の 1 はまったく新しいものでした。そして、それらはより異なるプロセスを伴う傾向がありました。二重変異体では、遺伝子間の機能的結合は緊密になる傾向がありました。通常、DNA 修復に関与する遺伝子は、同じく DNA 修復に関与する他の遺伝子と関連しており、互いに相互作用する遺伝子は通常、同じ他の遺伝子と相互作用していました。しかし、トリプル ミュータントでは、より遠く離れたタスクが連携し始めました。接続されたセルラー タスクのコンステレーションは、微妙にシフトおよび変形しました。
「おそらく、ここでサンプリングしているのは、これまで見ることができなかった細胞内の機能的な接続です。」
たとえば、一連の新しい関連は、タンパク質の輸送に関与する遺伝子と DNA 修復に関与する遺伝子の間でした。表面的には、これら 2 つの機能を結びつけるものを理解するのは困難です。実際、研究者たちはまだメカニズムを説明していません。しかし、彼らは確かにあると確信しています。 「私たちの即座の反応は、『まあ、それはランダムだ』というものでした」とアンドリュースは言いました。 「しかし、このプロジェクトを行う過程で、それがランダムではないことを学びました。細胞がどのように接続されているかを理解していないだけです。」
彼らのグループは、タンパク質輸送と DNA 修復の間の関係を調査し始めたばかりですが、Andrews によると、これらの酵母細胞をよく見ると、実際には大量の DNA 損傷が見られます。つながりの地図は、彼らの注意を引くのに役立ちました.「以前は見る理由がなかったでしょう.
酵母の遺伝学者は、重要な遺伝子だけが重要であるとは決して考えていませんでした。しかし、この新しい論文は、酵母ゲノムで何が重要なのかを単純化して解釈するのは間違いである可能性が高いという考えを補強しています。ブーンとアンドリュースは、現実はもっと複雑だと言う。彼らは、二重および三重の相互作用を考慮に入れると、酵母細胞がジャンプなしでは真に実行できない遺伝子の数を示唆しています。彼らの論文が指摘しているように、酵母細胞が実質的な欠陥を回避するために必要な最小ゲノムは、「ゲノムにコードされている遺伝子の完全なセットにほぼ近づく可能性がある」.
実際、微生物の最小限のゲノムを考案するための実験的取り組み (人工ゲノムを作成するためのステップとして、細胞が生き残るために必要な遺伝子の最小数を特定するため) は、遺伝子を除去してもなお、遺伝子を除去することが驚くほど難しいことを示しています。繁栄する生き物。
2016 年、J. Craig Venter Institute (JCVI) の研究者は、細菌 Mycoplasma genitalium、 の人工ゲノムの作成を報告しました。 その中で彼らは 525 の遺伝子を 473 に絞り込んだ。しかし、生化学者でこの研究に関与した JCVI の著名な教授である Clyde A. Hutchison III によると、一見不要な遺伝子を除去することによる負の影響は実際に深刻な問題であった. 「これが、最小限のゲノムを設計するための遺伝子セットを選択する際の主な問題でした」と彼は言いました。
ジョンズ・ホプキンス大学のシステム生物学者である Joel Bader は、現在の研究は、人間の遺伝学のアイデアとの興味深いつながりを示唆していると述べています。つまり、さまざまな遺伝子が、通常は関連付けられていない形質に微妙に影響を与えている可能性があるということです。 「[より詳しく見ることができるほど、1 つの遺伝子または経路を混乱させると、システム全体に伝播する影響があることがわかります」と彼は言いました。 「効果は弱くなりますが、それでも測定できます。」
科学はまだ酵母の特定の出来事について無知かもしれませんが、私たち自身の細胞で何が起こっているのかについての私たちの無知によって、それは小さく見えます.トロント大学でのこのようなプロジェクトを可能にしている理由の 1 つは、酵母が十分に研究されており、その遺伝子が数世代の生物学者によって複雑に注釈付けされていることです。これは、比較的巨大でとりとめのないヒトゲノムではまだ達成されていません。と謎に満ちています。それでも、研究者らは、ヒト細胞の遺伝子編集技術が進歩するにつれて、この種の実験が、細胞の働きやゲノム内の遺伝子が互いにどのように関係しているかについてより多くのことを明らかにするのに役立つことを望んでいる. 「私たちが発見していないゲノム生物学の基本的なルールがたくさんあると思います」と Andrews 氏は述べています。
訂正:この記事は 4 月 20 日に更新され、ミネソタ大学の科学者による新しい 科学論文。遺伝子相互作用の地図のクレジットも 4 月 23 日に「Anastasia Baryshnikova、トロント大学」に修正されました。
