自然界には、細胞とその内部に生息する共生細菌または内部共生生物との間の関係よりも親密な関係はほとんどありません。これらのパートナーシップでは、宿主細胞は通常、その内部共生生物を保護し、増殖する方法を提供しますが、内部共生生物は宿主に重要な栄養素を提供します.これは非常に協力的な配置であり、宿主と内部共生生物のゲノムは、互いの代謝経路と生合成経路に相補的な断片を提供しているようにさえ見えます.
これらのパートナーシップの明らかな複雑さは、驚きを保持し続けています。今日 Cell に登場する新しい研究で 、科学者たちは、昆虫細胞と 2 種の細菌 (一方は他方の内部共生生物) との間の複雑な 3 方向の共生が、生物のゲノムと生理学に深く絡み合っていることを示しています。これらの結果は、ミトコンドリアやその他のオルガネラが、最も初期の真核細胞の古代の内部共生生物からどのように発生したかを明らかにする可能性があります.
細胞が生き残るために新しい代謝形質を迅速に獲得する必要がある場合、最良の選択肢は他の生物から借りることかもしれません.水平転送は細胞間でいくつかの遺伝子を移動させることができますが、複雑な代謝経路の遺伝子一式を水平に取得する可能性はほとんどありません。モンタナ大学の細胞内共生研究者であるジョン・マカッチョンは、最も簡単な解決策は、異なる能力と補完的なニーズを持つ細胞を融合させることであると説明しています.これらの合併は、本質的に珍しいことではありません。 2 次および 3 次の合併が発生したことさえ知られており、入れ子になったロシアの人形のセットに相当する細胞を生成しています。
そのようなロシア語と人形の合併の 1 つは、約 1 億年前にコナカイガラムシと呼ばれる小さな害虫が細菌の内部共生生物であるトレンブラヤを獲得したときに発生しました。 .続いて、トレンブラヤ モラネラを含む他のいくつかのバクテリアを獲得しました .最終的に他のメンバーは失われ、モラネラだけになりました 残りました。 モラネラがどのくらいの期間だったかは不明です 内部共生は続いていますが、それはおそらく数千万年のオーダーです。その結果、コナカイガラムシの細胞には、別の細菌を含む細菌が含まれています。これは、2001 年にユタ州立大学の生物学者 Carol von Dohlen によって発見された配置です。
2011 年、von Dohlen と McCutcheon は、これら 2 つの細菌の配列決定されたゲノムを発表しました。それぞれのゲノムは遺伝子を失っていましたが、一緒にすると、必須アミノ酸の生合成経路における酵素をコードする遺伝子が完全に補われていました。したがって、トレンブラヤ とモラネラ 一緒に働き、コナカイガラムシが厳格な樹液食では見つけられない必須アミノ酸だけでなく、必須アミノ酸も生成します。
しかし、この 2 つの細菌ゲノムには他の遺伝子も欠落しており、アミノ酸合成のために互いに補完し合っていたものの、他の代謝経路にとって重要な酵素を作ることはできなかったようです。そのため、McCutcheon は、宿主昆虫のゲノムにそれらの穴を埋める遺伝子が含まれているかどうか疑問に思いました.
2013 年に発表された論文で、McCutcheon と同僚は、これが事実であることを示しました。彼らはまた、これらの遺伝子は昆虫宿主細胞の核内に位置しているが、細菌細胞壁の主成分であるペプチドグリカンを合成するためにコードされているため、それらの多くが明らかにコナカイガラムシの遺伝子として始まっていないことに気付きました.これらの遺伝子は、バクテリアからコナカイガラムシの核ゲノムに水平に導入されたに違いありません.
したがって、ゲノムの証拠は モラネラ を示唆しましたが、証明しませんでした 内部共生生物は、その細胞壁を作るためにコナカイガラムシの核ゲノムからの遺伝子産物に依存している可能性があります。しかし、もしそうなら、昆虫の遺伝子の産物は宿主の核から 5 つの細胞膜 (トレンブラヤでは 3 つ) を通って移動しなければならないことを意味します。 モラネラに 2 つ ) ペプチドグリカンが作られる最も深く入れ子になった細菌の内部に到達します。その証明されていない命題は非常にありそうにないように思われました.
さらに、少なくとも 3 つの異なるソースからの遺伝子を意味します — 本物のコナカイガラムシの核遺伝子、コナカイガラムシの核ゲノムによって獲得されたさまざまな細菌の遺伝子、およびモラネラ 遺伝子 - すべてが複雑な生合成経路で一緒に働いていました。
形になりつつある仮説は、研究者たちから見ても不格好に見えました。 「これは非常に複雑で、これらすべてが連携して機能するのは、ほとんどばかげています」と McCutcheon 氏は述べています。それでも、彼らはゲノムデータをテストする方法を考案するのに十分な自信を持っていました。 「私たちは、自分たちが入り込める経路を見つけ出し、ゲノミクスで見たものが実際に私たちが思っていたように機能したことを実際に証明したかったのです。」
共生生物と代謝
本日 Cell に掲載された論文で 、McCutcheon、DeAnna Bublitz (McCutcheon の研究室の上級科学者) とその同僚は、これを達成することを可能にした巧妙なトリックについて説明しています。彼らは、ペプチドグリカンのユニークな特徴を利用しました。それは、ペプチドグリカンが細胞代謝のどこにも見られないアミノ酸であるD-アラニンで作られているということです.実験では、研究者は重窒素同位体または蛍光化合物のいずれかでタグ付けされた D-アラニンのバージョンのコナカイガラムシ細胞の増殖培養物を与えました。これにより、細胞内のその位置とそのさまざまな代謝変換を追跡することができました.
彼らの調査結果は、ペプチドグリカン合成の完全な生化学が、入れ子になった モラネラ 内で起こっていることを確認しました。
研究者が重同位体実験の結果を最初に見たとき、彼女は他の大学院生や研究科学者と一緒に地下の実験室にいた、とブブリッツは思い出す。 「画面が表示され、ペプチドグリカンで期待したパターンが本物であることが示され始めましたが、廊下に戻って非常に遠くから画面を見て、私たちが見ているものが何であるかを確認しました」まだ見えていました」と彼女は言いました。 「それはそのレベルの不信でした。」研究者たちは、見知らぬ人を呼んで、画面上の画像について説明するように依頼し、「それが私たちと同じように盲目のレビュアーにとっても明らかであり、私たちが見たいものだけを見ているのではないかどうか」を確認しました。
「私が最も興奮しているのは、これらの複雑な内部共生が機能することを示していることです」と McCutcheon 氏は述べています。彼はまた、モラネラにも感銘を受けました とトレンブラヤ はコナカイガラムシの細胞に非常に統合されているため、実質的にコナカイガラムシの一部になっています。
ノバスコシア州にあるダルハウジー大学の進化分子生物学者である W. フォード ドゥーリトルは、この研究は「必要かつ刺激的な量の事実確認」を表していると述べています。なぜなら、この研究は、ゲノムデータによって示唆される生化学をテストし、細胞が実際に彼らが作るべきものを作る。 「これは非常に重要な論文だと思います」と彼は言いました。
カリフォルニア大学サンフランシスコ校で動物と微生物の間の相互作用を研究している生化学者である Seemay Chou は、次のように述べています。 「実証するのは技術的に非常に難しいことです。」
「これについて非常にワイルドなのは、分業により、宿主が内部共生生物に到達するために5つの異なる脂質膜を越えて何かを輸送する必要があることです」と彼女は付け加えた.
共生細胞が、真核細胞が細胞膜を横切ってタンパク質を往復させるために通常使用するのと同じ分子メカニズムを使用しているのか、それともこの貨物を移動させる新しい方法を発明する必要があったのかは、現時点では不明です。 McCutcheon によると、Tremblaya を示すいくつかの証拠があります。 、この三元共生の仲介者であり、宿主核とモラネラの間で遺伝子産物を積極的に輸送します 重同位体でタグ付けされた代謝物はいずれも トレンブラヤ に到達しなかったためです。 . 「何らかの形で参加していますが、その『方法』は本当に謎です」と彼は言いました。
コントロール パートナー
共有遺伝子が関与する内部共生の既知の例が少なくとも 1 つあります。 パウリネラ は原生生物であり、約 1 億年前にシアノバクテリアの内部共生生物を獲得することにより、「第 2 の葉緑体」または色素胞を進化させました。色素胞ゲノムは、宿主の原生生物ゲノムと補完して機能し、色素胞のペプチドグリカン層を作ります。
McCutcheon は、Paulinella の両方で そしてコナカイガラムシ-トレンブラヤ-モラネッラ 内部共生、ペプチドグリカンを作るためのゲノムモザイクは、真核宿主がその細菌内部共生生物を制御することを可能にするかもしれません。内部共生生物の複製が速すぎると、宿主を殺す可能性があります。細菌が細胞壁を構築できる速度を制限することにより、宿主は居住者を抑制します。なぜ モラネラ 細胞壁を作り続けているのは謎のままです. そして宿主細胞。 「明らかに、これをすべて行わなければならないという事実は、何らかの理由でそれが重要であることを示唆しています」と Chou 氏は述べています。
McCutcheon は、コナカイガラムシは、最も古く、おそらく最も有名なオルガネラであるミトコンドリアの進化に関する手がかりを保持している可能性があると考えています。
ミトコンドリアは、15 億から 20 億年前に原核生物 (おそらく古細菌のメンバー) に飲み込まれたアルファプロテオバクテリアから進化しました。ほとんどの生きている細菌はペプチドグリカンの細胞壁を持っているため、ミトコンドリアの祖先を含む古代の細菌もそうであった可能性があります. Bublitz は、アルファプロテオバクテリアが別の細胞に取り込まれたか、積極的に侵入したこと、そして宿主細胞がペプチドグリカン経路を取り込み、その内部共生生物の複製を制御できたことを仮定しています。宿主と初期のミトコンドリアが最終的にさらに統合され、宿主がミトコンドリアの分裂を制御するためのペプチドグリカン経路を必要としなくなった可能性があります。ペプチドグリカン合成の制御権を譲渡することは、「自律的な細菌からある種の機能的なオルガネラへの移行における最初のステップの 1 つ」になる可能性があると、ブブリッツは推測しています。
ミトコンドリアは非常に古く、一度だけ進化したため、その内部共生がどのように進化したかを正確に再構築することは困難です.私たちが知っていることは、ミトコンドリアのゲノムが時間の経過とともに遺伝子を失い、その一部が核ゲノムに挿入されるようになったということです.今日、左右対称になるほど複雑なほとんどの動物では、ミトコンドリアのゲノムは 37 個の遺伝子しか保持していません。ミトコンドリアは、現在核内にある 1,000 以上の遺伝子に依存して機能しています。 （対照的に、真核生物の微生物は通常、3 ～ 69 個のミトコンドリア遺伝子を持っています。）しかし、あまり知られていない事実は、それらの核遺伝子の多くが古代のミトコンドリア ゲノムに由来しないということです。 McCutcheon によると、それらは水平移動イベントで他のバクテリアから発生したものです。
これらの水平に伝達された遺伝子の起源は、ミトコンドリア生物学で激しく議論されている問題です。 1つの可能性は、アルファプロテオバクテリアが真核細胞を生成する内部共生イベントの前に他の細菌からそれらを取得し、その後遺伝子が宿主核に移動したことです.もう 1 つは、真核細胞が進化した後、時間をかけてさまざまな細菌から直接、水平に伝達された遺伝子が核ゲノムに到達したことです。
最も古いオルガネラがどのように進化したかを完全に特定することはできませんが、コナカイガラムシ-トレンブラヤ-モラネラ 共生は、2 番目の進化シナリオが機能することを示しています。つまり、さまざまな細菌感染からの遺伝子がゆっくりと蓄積し、単一の実体の機能経路に統合される可能性があるということです。
ミトコンドリアが内部共生生物からオルガネラに変わった中でユニークなのは、ミトコンドリアが最も古い例であるということです、と McCutcheon は言いました。 「しかし、その古さは研究を難しくし、オルガネラになる前に何が起こったのかを推測することを困難にしています. パウリネラのことだと思う 何が起こったのかを知る窓を与えてくれるということです。」
ミトコンドリアは独自の成功を収めてきましたが、すべての内部共生が幸せに終わるわけではありません。 McCutcheon による以前の研究では、セミには細菌の内部共生生物 Hodgkinia cicadicola があることが示されました 、それは蝉の細胞内で2ダース以上の系統に断片化されています。これらの系統にはそれぞれ、ホジキニアのさまざまなサブセットのみが含まれています ゲノム。一緒に、すべての系統は、セミが依存する必須アミノ酸を作るために必要な遺伝子の完全な補完を持っています.しかし、McCutcheon は、これが宿主に困難をもたらす非適応的な内部共生生物の進化の例であると考えています:セミの卵は生き残るために内部共生生物の完全な補数を拾う必要があり、内部共生生物のさまざまな組み合わせが提供する多様性が問題を引き起こします.
McCutcheon と Bublitz は現在、一部の内部共生が安定した成功したパートナーシップに進化する一方で、他の内部共生が制御不能になったり劣化したりする理由を解明するために取り組んでいます. 「今のところ、何が持続を可能にするかについて決定的な証拠はありません」とブブリッツは言いました。
