新しい遺伝子の進化は、多くの場合、種の進化に伴う新しい形質の出現と密接に関連しています。したがって、進化生物学における最大の謎の 1 つは、遺伝的新規性がどのように発生するかということです。
過去半世紀以上にわたり、ほとんどの生物学者は、影響力のある 1970 年の著書 Evolution by Gene Duplication における遺伝学者大野進の結論に同意してきました。 .最初の遺伝子がどこかから来なければならなかったことを認めながら、彼は次のように書いています。 .それぞれの新しい遺伝子は、既存の遺伝子から生じたに違いありません…」
本当にde novoなので、この説明は正しいように思えました 遺伝子は、遺伝子間の豊富な「非遺伝子」DNA（しばしばジャンクとして片付けられる）に作用する進化を通じて出現する必要があります。それがどのように起こるか想像するのは困難でした。細胞の適応度は、一般に、何百万年にもわたって共進化してきた遺伝子ネットワークの円滑な機能に依存しています。他の遺伝子に由来する遺伝子は、それらのネットワークに溶け込む可能性が高くなります。それに比べて、新生 de novo からのかなりランダムな写し 遺伝子は、せいぜい取るに足らないものであり、細胞の見通しに有害である可能性が高いように思われます.トリニティ カレッジ ダブリンの遺伝学者である Aoife McLysaght は、次のように述べています。
しかし、過去 15 年間、de novo の証拠 遺伝子は着実に蓄積されているため、議論は de novo かどうかに移っています。 遺伝子は、進化と適応にどれだけ貢献しているかに関係なく存在します。
McLysaght と他の研究者による最近の実験では、de novo の頻度が定量化され始めています。 遺伝子は広範囲の生物に存在します。彼らの推定はさまざまですが、答えは、若いまたは新規であることが知られている多くの遺伝子について、de novo このメカニズムは、大野が説明した別の方法と少なくとも大まかに同じように思われます — そして時にはもっと一般的です.
de novo ハーバード大学の生物物理学の博士課程の学生で、遺伝子の起源を研究しているキャロライン・ワイズマンは、遺伝子は「本当に前例のない、または比類のない種類の遺伝的新規性を表しています」と述べています。 「これは、目新しさのようなものがどのように進化するかを考えている進化生物学者にとって、非常にエキサイティングな可能性です。」
孤児になるためのさまざまな方法
すべての種の遺伝子のほとんどは、少なくとも 1 つの他の種にも見られます。遺伝子はそれぞれのインスタンスでわずかに異なる配列を持っている可能性がありますが、それらは認識できるほど関連しているのに十分似ているように見えます。これは通常、進化を通じてです。ランダムな変異により、時間の経過とともに配列が分岐しますが、相同遺伝子 (またはホモログ) は類似性によってファミリーに分類できます。たとえば、人間と他の哺乳類に見られるわずかに異なるヘモグロビン分子の遺伝子はすべて、1 つのファミリーに属しています。
大野は、発散メカニズムが新しい機能を持つ遺伝子がどのように発生したかを説明できるという理論を紹介しました。彼の研究では、新しい遺伝子が古い遺伝子の複製とそれに続く 2 つの相同体の機能と配列の相違を引き起こす突然変異によって生まれる可能性があることを示しました。
しかし、全ゲノムがより利用可能になり、研究者がそれらの情報を精査するにつれて、パズルのピースが欠けているように見えました.一部の遺伝子は、どのファミリーにも属していないようでした。これらの「オーファン遺伝子」は、特定の系統に特異的に出現し、明らかな祖先やいとこを持っていませんでした。次に、これらのオーファン遺伝子がどのようにしてできたかに焦点が当てられました。
デフォルトの仮定は、それが極端に取られた大野のメカニズム、つまり認識を超えた発散であるというものでした.オーファン遺伝子配列は、非常に急速に、または非常に長い間進化したため、家族の類似性を失った可能性があります.
他の説明も可能でしたが、McLysaght によれば、その可能性は低いようです。オーファン遺伝子は、例えば、細菌やウイルスからの遺伝子全体または部分的な水平伝達を通じて系統に入る可能性がありますが、複雑な生物で特定されたオーファンのほとんどは、細菌に由来する可能性があるように見えました.理論的には、他の系統のすべての相同体が進化によって偶然失われた場合にも、遺伝子は孤立する可能性がありますが、それも日常的な説明である可能性は低いように思われました.そして、デノボがありました 可能性はありますが、それには独自のハードルがありました。
それでも、研究者は、あたかもde novoに進化したかのように説得力のあるオーファン遺伝子を見つけ続けましたde novo .たとえば、2006 年と 2007 年に、カリフォルニア大学デービス校の遺伝学者 David Begun は、非遺伝子配列から進化したショウジョウバエの精巣の遺伝子を特定しました。次第に、質問は de novo かどうかから変わりました 遺伝子は、それらがどれほど一般的であるかに存在しました.
過去 10 年間、研究者は de novo の相対的な重要性について活発に議論してきました。 認識を超えた遺伝子の作成と分岐。しかし、オーファン遺伝子を調べて、それらがどのように発生したかを判断する簡単な方法はまだありませんでした. 「ある意味では、この分野はそれによって身動きが取れなくなっていました。なぜなら、実際にどれだけの数が [de novo] であるかを実際に知ることができないからです。 遺伝子]、そしてこの現象の重要性は何ですか、それならあなたは少し立ち往生しています」とMcLysaghtは言いました.
場所、場所、場所
その議論を明確にするために、McLysaght と彼女の元博士研究員 Nikolaos Vakirlis (現在はギリシャの Alexander Fleming Biomedical Sciences Research Center にいる) は、共同研究者であるピッツバーグ大学の Anne-Ruxandra Carvunis と共に、ハエ、酵母、およびヒトのオーファン遺伝子の数は、配列の相違によって説明できます。
eLife の論文で説明されているように、彼らはその分析に斬新なアプローチを採用しました。 2月中。科学者は通常、遺伝子のヌクレオチド配列 (またはそれらがコードするタンパク質のアミノ酸配列) を比較することによって、遺伝子が相同であるかどうかを確認します。 McLysaght のチームは代わりに、隣接遺伝子に対する各遺伝子の位置に注目しました。これは、遺伝学者が遺伝子のシンテニーと呼ぶ特性です。
McLysaght は、彼らのアプローチを説明するために次の類推を提供しました。順序付けされたトランプのデッキから始めて、それらを軽くシャッフルするとします。デッキの一番上にある最初の 2 枚のカードは、クラブの 9 と 10 です。 3 枚目のカードは裏向きのままにします。 4 番目と 5 番目のカードはクラブのクイーンとキングです。中央のカードだけが邪魔されたよりも、完全なシーケンスが生き残ったほうが確率が高いため、隠されたカードがクラブのジャックであると合理的な確信を持って推測できます.
同様に、染色体上の隣接する遺伝子の順序は、進化を通じてほとんど保存されています。染色体の断片は大幅に並べ替えられますが、それらのシャッフルされたブロック内では、遺伝子の配置はそのまま維持される傾向があります。研究者たちは、遺伝子の隣人が別の種で同じ順序で現れる場合、その遺伝子は、他の種でもそれらの間に挟まれているものに対応する可能性が高いという保守的な仮定を立てました - たとえ配列が一致しなくても. /P>
研究者らは、シンテニー法を使用して、ハエ、酵母、およびヒトのオーファン遺伝子のせいぜい 3 分の 1 が、認識を超えた分岐によって説明できると推定しました。 「残りは他の方法で説明する必要があり、de novo 起源はそれらを説明する最良の方法です」と McLysaght 氏は言いました。
発散率
Weisman と彼女のハーバードのアドバイザーである Andrew Murray と Sean Eddy は、biorxiv.org サーバーのプレプリントで最近説明した同じ問題に対処するために、わずかに異なる方法を使用し、査読のためにジャーナルに提出しました。 「ここでの全体的な問題は、ある生物またはあるグループの外で相同体を検出できない場合、それは相同体が存在するのに検出できないからなのか、それとも相同体が存在しないからなのかということです。」 Weisman は言いました。
それを調べるために、彼女は関連する酵母種とショウジョウバエのグループに注目しました。 ショウジョウバエの種を調べ、それらの遺伝子ファミリー内で突然変異が蓄積する割合を推定しました。その後、ある種の遺伝子の相同体が遠縁の種でも検出できるかどうかを統計的に判断できました。これにより、「遺伝子が孤児のように見えるという結果は、遺伝子が正常に進化し、検索ソフトウェアが全知ではないということだけで完全に説明できる」ケースを特定することができた、と彼女は説明した.
Weisman は、これらの酵母のオーファン遺伝子の 55% から 73% の間のどこか (大部分) が分岐によって説明されると推定しました。この数値は、McLysaght のシンテニー アプローチが示唆するよりも高い。それにもかかわらず、Weisman にとって、彼女の方法と McLysaght の根本的に異なる方法が、「おそらく単に分岐によるものである、明らかに自明ではない数のこれらの遺伝子がある」という結論に収束したことは心強い。彼女は次のように付け加えました。 オーファン遺伝子を研究することによって」
Weisman の研究にも McLysaght の研究にも関与していないロックフェラー大学の遺伝学者 Li Zhao は、どちらの論文もオーファン遺伝子の起源についてほぼ同じ結論に達していることに同意している。発散からのもの。 「1 枚の紙はこのグラスが半分満たされていると述べており、もう 1 枚の紙は半分空であると述べています」と彼女は言いました。
オーファン遺伝子の起源が混合していることを考えると、Zhao は続けて、de novo 遺伝子を研究する良い方法は、非常に若い遺伝子に焦点を当てることかもしれないと言いました。 de novoの場合 遺伝子は最近発生したので、それが進化した他の種で対応する非遺伝子配列を特定することはまだ可能であると彼女は説明した.これは、オーファン遺伝子が本当に de novo であることの証拠となります .
関数がどのように出現するか
これの良い例は、2019 年の若いde novoの研究です。 アジアの野生イネ (オリザ) の遺伝子 ）は、1990 年代初頭から新しい遺伝子の研究を開拓してきたシカゴ大学の遺伝学者である Manyuan Long が率いています。 Long と彼の同僚は、de novo に由来する約 175 の遺伝子を特定しました 過去 340 万年以内。これらの遺伝子は de novo であることがわかりました 対応する非遺伝子配列は、近縁種でも認識可能であったためです。これら de novo 遺伝子は生物学的に活性であるように見えました — つまり、それらは RNA に転写され、ペプチド鎖に翻訳され、それらのほとんどは自然淘汰によって形成された兆候を示しました.
ロングの研究では、 de novo が確認されました。 遺伝子は比較的豊富で、機能的に重要でした。しかし、どのようにして非遺伝子配列が機能的な遺伝子になるのかという問題は未解決のままでした。考えられる答えの 1 つは、Carvunis と彼女の同僚が 2012 Nature で提唱した「原遺伝子」仮説です。 論文:初期の遺伝子は、最初は何もしない RNA やタンパク質の生成物になる DNA のストレッチとして始まる可能性があります。しかし、適切な環境条件下では、これらの原遺伝子はいくつかの利点を提供し、選択の下で進化を開始する可能性があります.
Carvunis、Vakirlis、McLysaght、および彼らの同僚は、Nature Communications でそのアイデアを実験的にテストしました。 2月に登場した論文。最初に、彼らは、進化的に若く、活発に転写されるが機能的なタンパク質を作らないことにより、原遺伝子の定義に適合すると思われる酵母のDNA配列をコンピューターで特定しました。次に、これらの配列が削除または過剰発現されると、酵母の適応度に何が起こるかを確認しました。
これらの原遺伝子配列を削除しても害はないようです。彼らは酵母の幸福に貢献していなかったので、それは理にかなっています.しかし、研究者が驚いたことに、原遺伝子配列の約 10% が過剰発現すると、酵母コロニーの増殖が促進されました。実際、これらのプロトジーン配列を過剰発現させることは、確立された機能遺伝子を過剰発現させるよりも有益であることが多かった (おそらく進化は、それらの発現の最適レベルをすでに設定していると思われる)。 「これらのいくぶんランダムなシーケンスが、適応度を高める可能性があるとは必ずしも予想していませんでした」と McLysaght 氏は述べています。
Vakirlis によると、これらの結果は、原遺伝子が高い適応能力を持っていることを示唆しています。それらの効果は明確に定義されていない可能性がありますが、多くの方法で細胞に寄与する可能性があります。その可能性は、進化が配列を機能する遺伝子に改良する場合に時間をかけて探求できるものです.
「新たなシーケンスが適応できることを示しています」と Carvunis 氏は述べています。
研究者らはまた、有益なプロトジーン配列には共通点があることを観察しました:それらから翻訳されたタンパク質産物は、一般に、細胞またはオルガネラの膜にとまることができる可能性があるドメインを持っています.研究者たちは現在、タンパク質がそこに位置することで、細胞にとって重要なことを行う可能性がどのように高まるかを調査しています.
彼らの研究は、新たなde novoの適応可能性を実証しましたが、 遺伝子、de novo の実際の寄与 適応への遺伝子は常に「幾分謎に包まれたまま」かもしれない、と McLysaght は述べた。突然変異がde novoに蓄積するにつれて 遺伝子が存在するため、それらが由来する非遺伝子配列を特定することはますます難しくなっています。不確実な期限を過ぎると、古い遺伝子がde novo発生したことを証明することは常に不可能になる可能性があります . de novo の真の数を特定する したがって、ほとんどの複雑な生物における遺伝子とその新しい適応への貢献は、扱いにくい問題である可能性があります.
それでも、ロングは、オーファン遺伝子は、その起源に関係なく、調査する価値のある生物学を持っていることを強調しました.ワイズマンは、進化の最近のある時点で分岐が突然加速したように見える遺伝子に特に当てはまると考えています。それらは、新しい生物学的機能がどのように進化するかについて私たちに教えてくれるかもしれません.
オーファン遺伝子の作成については、「さまざまなメカニズムがあることがわかっています」と Begun 氏は述べています。しかし、「なぜ特定の生物学的プロセスがより多くの de novo を持っているのかについての指針となる原則 遺伝子の進化、他のものはより多くの重複と分岐を持っている可能性がありますが、それについてはまだ把握していません。」
Vakirlis 氏は、まだ取り組むべき問題がいくつあるかについて同意しました。 「この分野では、de novo という事実以外にまだ十分に確立されているものはないと思います。 遺伝子は実在しており、広く普及しているように見えます。どの程度普及しているかは、誰に尋ねるかによって異なります。年々多くのことを学ぶ非常にダイナミックな状況です」と彼は言いました。
