1990年代、クローン軍団がドイツに侵攻。 10 年以内に、それらはイタリア、クロアチア、スロバキア、ハンガリー、スウェーデン、フランス、日本、マダガスカルに広がり、川や湖、田んぼ、沼地に大混乱をもたらしました。温水と冷水、酸性と塩基性の水で。犯人:霜降りザリガニと呼ばれる体長 6 インチのロブスターに似た生き物。
科学者たちは、1995 年頃のどこかで、遺伝子変異によりペットのザリガニが無性生殖できるようになり、未受精卵から自分自身のクローンを作ることができる、すべて雌の新しい種が誕生したのではないかと考えています。故意または偶発的に、これらの突然変異体の一部は水族館から野生に放たれ、そこで数百万に急速に増殖し、在来の水路種と生態系を脅かしました.
しかし、彼らの成功は奇妙です。ハイデルベルク大学の生物学者であるギュンター・フォークトは、「今日存在するすべての霜降りザリガニは、単一の動物に由来します。 「それらはすべて遺伝的に同一です。」通常、遺伝的多様性の欠如は、集団をその環境の気まぐれに対して非常に脆弱にします.それでも、マーブルザリガニは世界中で繁栄しています.
よく見ると、ザリガニの均一性はゲノムの深さだけであることがわかります。 2000年代半ばにVogtらが実施した研究によると、これらの水生クローンは、実際には色、サイズ、行動、寿命がかなり異なります.つまり、彼らの遺伝子以外の何かがその多様性に影響を与えているということです.
常識的に言えば、それが自然ではない場合、それは育成であると言えます。環境の影響は動物のゲノムと相互作用して、さまざまな特性に異なる結果をもたらします。しかし、それだけではありません。ザリガニやその他の多くの生物に関する新しい研究により、見過ごされがちな変化と多様性の 3 番目の原因の重要な役割が明らかになりました。これは、胚の発生の最初の数日で始まる、私たちを独特なものにする驚くべき基盤です。それは、ランダムで固有のノイズです。 .
自然対育成対ノイズ
科学者は通常、細胞や生物の表現型 (その形態、生理学、行動で表現される特性) を、遺伝的要因と環境要因、つまり「自然」と「育成」の複雑な和であると考えています。前者の寄与を特定するために多くの研究が行われています。たとえば、特定の突然変異が四肢の形状や病気の発症をどのように決定するかを特定するために使用されます。 「これは確かに非常に強力なパラダイムです」と、ペンシルバニア大学のシステム生物学者 Arjun Raj は述べています。 「私たちはそこから膨大な量のことを学びました。[そして] それについての話をするのは本当に簡単です。」
遺伝的制御に起因しないものはすべて、栄養からストレス、特異な社会的相互作用に至るまで、さまざまな環境要因に起因する傾向があります.トリニティ カレッジ ダブリンの遺伝学者兼神経科学者であるケビン ミッチェルは、「それは生物の外にあるものに違いないことを示唆する」考え方です。
しかし、これが完全に真実ではないという証拠はたくさんあります。ゲノムと家の両方を共有する一卵性双生児は、見た目も行動もまったく同じではありません。一方に障害を引き起こす突然変異は、もう一方には発生しない可能性があります。双子は指紋さえ違う。
バクテリア、クローン魚、近交系のハエやマウスの集団についても同じことが言えます。一部の病原体やがん細胞は薬剤耐性を獲得する一方で、遺伝的に同一の姉妹細胞は死滅します。環境が一定に保たれた実験室で育てられたシロザリガニの兄弟は、色や形、行動が異なるだけでなく、社会的ヒエラルキー全体を確立するのに十分なほど大きな違いを持っています。
個々の生物の中でも、顔の左右、身体、脳には非対称性が生じます。これらの違いをすべて、説明のつかない環境への影響として片付けることができないことは、研究によってますます明らかになっています。
これにより、生物学的プロセスを特徴付けるランダムな振戦と変動であるノイズが残ります。チューリッヒ大学の進化生物学者であるアンドレアス・ワグナーは、「騒音は避けられないものであり、生命の必然的な副産物です」と述べています。
Mitchell 氏によると、ノイズを避けられないのは、どの生物も複雑すぎて、遺伝子が網羅的かつ独力でそれを構築する方法を正確に説明できないということです。脳の配線だけが、比較的少ない指示で発生する必要があります。
「ゲノムは設計図ではありません」とミッチェルは言いました。 「特定の結果をエンコードするわけではありません。それは、発生中の胚が自己組織化するいくつかの生化学的規則、いくつかの細胞アルゴリズムをエンコードするだけです。」分子は細胞内で跳ね返り、相互作用し、ランダムに結合して引き離し、拡散します。タンパク質を生成し、遺伝子をオン/オフするプロセスは、Mitchell が呼ぶように、この「システム内の分子ジッター」の影響を受けます。これにより、タンパク質分子がいくつ作られるか、それらがどのように組み立てられ、折り畳まれるか、およびそれらがどのように機能を果たし、細胞の意思決定を助けるか.
その結果、開発、つまり単一の細胞を生物全体に変える複雑なプロセスが「少し面倒」になるのは当然のことです、とミッチェルは言いました.
しかし、発達上のノイズは、それ以上のものではない、つまり生物学的システムが理想的に機能する方法を曇らせるものとして片付けられることがよくありました。それ自体が生物学的創造性の源として扱われることはなく、行動や性格と同じくらい重要な特性の大きな違いの根底にあるもののようには見えませんでした.
科学者がそのノイズの影響に注目したかったとしても、壁にぶつかっていることに気づきました。定義上、ノイズは体系的でも予測可能でもありません。その結果、分離して測定することはほとんど法外に困難です。パリ脳研究所の神経生物学者であるバセム・ハッサンは、「実際に制御したり、遊んだりするのが最も難しい [要因] です」と述べています。 「ゲノムを操作したり、環境を操作したり、生理学を操作したり、特定の細胞を活性化し、他の細胞を活性化することはできません。 … バリエーションを操作するのははるかに困難です」そして、それが関心のある形質の違いの原因であることを証明します.
ミッチェルは同意した。 「その性質上、ランダムなものは非常に扱いにくいものです」と彼は言いました。
しかし、それは変わり始めています。遺伝子発現、タンパク質産生、発生運命の決定など、単一細胞の挙動を研究するためのツールは十分に洗練されており、科学者は変異のより微妙な原因について質問することができます.そして彼らが発見したのは、発達ノイズがもはや見逃すことのできない役割を果たしているということです.これは、生命システムが我慢しなければならない避けられない影響であるだけでなく、それらのシステムがそれを利用するために進化したものであり、それを個人の適切な発達、さらにはより広範な進化の必要な推進力に変えています.
ランダム性の虹
2002 年に転機が訪れました。それはバクテリアと虹から始まりました。
カリフォルニア工科大学の生物学および生物工学の教授である Michael Elowitz と彼の同僚は、E の変動をテストしたいと考えていました。大腸菌 同じ環境で育つ細胞。彼らは、遺伝子の 2 つのコピーをバクテリアに挿入しました。1 つはシアンの蛍光タンパク質をコードし、もう 1 つは黄色の蛍光タンパク質をコードしていました。彼らは遺伝子が同じように制御されるように設計されていたので、細胞が両方のタンパク質を同量生産することを期待していました。代わりに、個々の細胞内で、シアンと黄色の遺伝子が不均等に発現され、それらの比率は細胞ごとに大きく異なりました.一部のセルはシアンよりも黄色に輝き、他のセルは黄色よりもシアンに輝いていました。さらに他のものはよりミックスされており、すべてがランダムに発生したようです。 Elowitz 氏と彼のチームは、この虹が、遺伝子発現のプロセスに内在するノイズの明らかな結果であることに気付きました。彼らはついに「分子ジッター」の影響を目の当たりにしました。
それ以来、科学者は固有ノイズが他の細胞プロセスで果たす役割を研究してきました。それは、同一の細胞の集団が異なる特殊化された子孫を生み出す方法に見ることができます。細胞群のすべてではないが一部が与えられた信号にどのように反応するか。発達中の組織がどのようにパターン化されるか。細胞はノイズを利用して、その動作と生物学的状態に必要な変動性を生み出します。
しかし、それは細胞のレベルです。これらの違いは、そのような多くの細胞でバランスをとる傾向がある可能性があります.したがって、ノイズが実際に高次生物に影響を与える可能性があるかどうかを分析することは、成体の動物がどのようになるかに影響を与えるために発達を通じて伝播することであり、別の話でした.
1つは、同じ環境条件で慎重に育てられた、同じゲノムを持つ多くの個体からなる非常に特殊な実験システムが必要になることです。ある程度、それは行われています。研究者たちは、実験室で近交系の遺伝的に同一のハエが、ナビゲーションタスクに応答するときに独自の好みを示すことを発見しました。クローン魚は、遺伝的に変化する魚で観察されるものと同じくらい多様な行動を示しますが、魚の環境を変更しても影響はほとんどありません.
しかし、これらの結果は、発達イベント中のノイズがこれらの特定の違いを引き起こしたことをまだ証明していません. 「解剖学や生理学に多少のばらつきがあると言うとき、懸念されるのは、人々がいつでも戻ってきて、『それはあなたが知らなかった環境要因にすぎない』と言う可能性があるということです.」
しかし、12 月にプレプリント サイト biorxiv.org に掲載された新しい研究は、この種の研究を遺伝子発現のレベルにまで引き上げました。それは哺乳類においても同様です。
見よ、9 バンドのアルマジロ。
そうでない四つ子
ナインバンドアルマジロは、珍しい生殖戦略を持っています。彼らは常に四つ子、つまり遺伝的に同一のアルマジロの赤ちゃんを4匹持っています。ニューヨークのコールド スプリング ハーバー研究所の計算生物学者である Jesse Gillis と彼の同僚は、その出生パターンを利用して、成体動物の生理機能と行動の違いにつながるランダムな発達ノイズがいつ始まるかを判断することにしました。
「実験的に取り組むには素晴らしいシステムです」と、この作業には関与していない Mitchell 氏は述べています。 「つまり、アルマジロが嫌いな人は誰ですか?」
Gillis のチームはすぐに、遺伝子発現の変動が非常に早い段階で現れることを発見しました。
彼らは 5 匹のアルマジロの同腹児から血液サンプルを入手し、アルマジロの誕生後 1 年間に異なる 3 回の RNA シーケンスを行い、そのデータを分析して固有の遺伝子発現パターンを調べました。彼らはまず、遺伝学における古典的なランダム プロセス、つまり X 染色体の不活性化を調べることから始めました。
アルマジロ、人間、および他のほとんどの哺乳類では、メスは各細胞に 2 つの X 染色体を持っています。オスとメスの間で X 連鎖遺伝子の発現レベルを一定に保つために、発生中のある時点で、1 つの X 染色体が完全にオフになります。 Gillis 氏によると、細胞が生物の母親から受け継いだ X 染色体をオフにすることを選択するか、父親から継承した X 染色体をオフにすることを選択するかは、コインを投げるように、完全に偶然に発生します。しかし、そのコイントスで、どの親の X 連鎖遺伝子がその細胞のすべての子孫で発現するかが決まります。
Gillis の分析では、アルマジロの胚がわずか 25 個の細胞で構成されていたときに、この恣意的なコイントスが発生したことがわかりました。そして、25 の無作為な母性または父性 X 選択の正確な組み合わせは、すべての胚で異なるため、アルマジロのひなの遺伝的に同一の各メンバーの永続的な「識別署名」になりました。
グループは次に、アルマジロの他の 31 対の染色体に注目しました。これらのペアのどちらの染色体も、不活性化された X ほど完全に沈黙することはありませんが、それぞれの染色体の活性度と全体的な遺伝子発現への寄与度に違いが生じます。研究者は、機械学習法を使用して、これらの固有の比率が細胞系統で固定された時期を分析しました。彼らは、胚がわずか数百個の細胞を持っていたときにそれが起こったと推定しました.
最終的に1兆個程度の細胞を持つことになるアルマジロでは、「これらの出来事は非常に早い段階で起こっている」とカリフォルニア大学デービス校の行動生態学者Kate Laskowski氏は述べた。 . 「彼らは下流に非常に強力な影響を与える機会があります。発生の初期の 1 つの細胞は、後の人生で数百、数千、数百万の細胞の前駆細胞になります。」
それは水に波紋が広がるようなものです。岩を湖に投げ込むと、その重量と形状、および投げられる力によって、他の岩とは異なる波紋が発生します。波紋がどのように広がるかの予測可能な物理学により、これらの固有の初期条件の影響が伝播されます。同様に、各アルマジロ胚でわずかに異なる遺伝子発現パターンを確立するランダム ノイズは、他の発生プロセスへの影響を通じて増幅され、最終的に形質の違いを生み出します。
これらの下流の影響が何であるかを判断するために、科学者は全体的な遺伝子発現の違いを調べました。彼らは、アルマジロの兄弟は、20,000 の遺伝子のうち約 500 から 700 の発現が異なることを発見しました (ただし、科学者は、彼らの分析がいくつかの変動を逃したと予想しているため、これは過小評価である可能性があります)。さらに、各同腹子で影響を受けるのは常に同じ 700 程度の遺伝子ではなく、ランダム性が変動を決定するというさらなる証拠を提供しています。
次に、これらの遺伝子発現の違いは、さまざまな形質の違い、特に免疫およびホルモンのプロセスに関連するものと相関しているように見えました。最も明白なことは、一腹の遺伝子のいくつかが筋肉の成長に関連していたことであり、それらの兄弟は実際にサイズが大幅に異なっていました.これらの関連性を確固たるものにするためにはさらなる研究が必要ですが、Gillis と彼の同僚は、アルマジロの間で観察された全変動の約 10% が発生ノイズに起因する可能性があると推定しました.
「人間が数ダースから数百個の細胞からなる球体である場合、表現型とその振る舞いは一見ランダムな出来事の結果である可能性があるという考えは、私にとっては魅力的です」とラスコウスキーは言いました。
行動に影響を与える変動
これらのランダムなイベントは、行動に関して最大の役割を果たしているようです.たとえば、人間の場合、一卵性双生児は身体的特徴よりも心理的特徴のほうがはるかに異なります。また、心理的な違いは脳の構成を反映していると考えられているため、科学者は脳に注目し始めています。
発達中の脳は特にノイズが多く、ニューロン間の接続は常に成長し、多くの場合ランダムに刈り込まれます。イオン チャネルは自発的に開き、シナプスは神経伝達物質を自発的に放出しますが、これには明確な理由はありません。
解剖学的および行動特性の発達上の変化を支配する遺伝子が発見されています。これらの遺伝子を変更することにより、研究者は、脳の形成と行動を決定する際のノイズの役割についての仮説をテストすることができました.これの最も興味をそそる例は、ハッサンと彼の同僚が Science に発表した論文で、今月初めに出てきました。
2013年、彼らは特定のニューロンをつなぐメカニズムのランダム性が、遺伝的に同一のハエの脳の回路パターンに変化をもたらすことを発見しました。これらの神経接続は、ハエごとに異なるだけでなく、各ハエの左脳半球と右脳半球の間で非対称でもありました。彼らの新しい論文では、科学者たちはその解剖学的な変化を行動の特定の違いに因果的に結び付けました.ランダムな配線パターンでより大きな非対称性を持つハエは、より直接的にターゲットに向かって歩きました.研究者が遺伝子を操作して、結果として得られるハエの脳で神経配線プロセスがより対称的な接続を生成するようにすると、ハエの標的へのアプローチの効率が低下することがわかりました。同様に、非対称性を増加させた実験は、よりまっすぐな歩行経路につながりました.
全体として、ハエの歩行行動の変動の 35% から 40% は、調査したニューロンの配線パターンのランダムな違いによって説明できると推定されました。これは、騒々しい脳の発達が人間の独特の行動または心理的特性にどの程度影響を与える可能性があるかについて疑問に思います. 「人間としての私は、脳内の確率的発達事象によってどの程度存在するのでしょうか?」ハッサンは言った。
Mitchell によると、特性によっては 50% にもなる可能性があります。
うるさいように進化
これらの研究者の次のステップは、このノイズによる変動が動物のフィットネスにどのように影響するかをテストすることです。ランダム ノイズは、バクテリアやその他の単細胞無性生物の生存にとって重要であることが知られています。彼らにとって、ランダムな変動は、賭けヘッジとして知られる進化戦略を可能にします。個体群への一時的でランダムな変異体の導入は、環境条件が変化した場合に種の生存の可能性を向上させます。たとえば、感染性細菌の中で、ランダムに代謝休眠状態に移行する少数の「持続」細胞の存在は、残りの細菌を一掃する抗生物質の投与量に耐えられる集団を助けることができます。
ノイズはまた、新しい形質の進化に拍車をかけているようです。 Wagner の研究室や他のグループの未発表の研究では、E.大腸菌 酵母によって、新しい機能をより迅速に進化させることができます。
より複雑な生物の発達におけるノイズに対するこの種の適応的役割の証拠は、それほど明確ではありません。しかし、Hassan 氏によると、研究が最終的に点を結び付けると仮定するのは合理的です.
「それが一般的な生物学的原則であることは間違いありません」と Vogt 氏は述べ、従来の遺伝子型から表現型へのマップを、1 つのゲノムが多くの可能性をエンコードする、より制限のない関係に変換します。
発生におけるランダム性は、遺伝的および環境的変異と同じくらい重要である可能性があるという事実は、表現型をより広く理解する方法を変える可能性もあります. 「私たちは常にすべてのパターンと説明を探しています」と Laskowski 氏は言います。 「ですから、私たちが自分の行動や性格について考えるとき、明らかに、『これはあなたが子供の頃にどのように育てられたかによるものだ』とか、『あなたのお母さんに起こったことだ』とか、何か大きな説明をしたいと思うのは明らかです。しかし、それはそれほど大きな説明ではないかもしれません。たまたまのチャンスかもしれません。」
ミッチェルは同意した。 「私たちの特徴の多くは、私たちが思っているよりも先天的なものかもしれません」と彼は言いました. (これは、Mitchell が 2018 年に出版した本 Innate:How the Wiring of Our Brains Shapes Who We Are. の主題でもあります。 )
この考えは、特に遺伝学を使用して身長や体格指数から知能や病気のリスクに至るまでの特性を予測しようとしている人にとって、他の意味を持ちます. 「この種のランダムな変動が、私たちが気にかけている特性の多くの側面にとって重要である場合、最終的には、個人について何かを正確に予測できるかどうかが本当に、本当に制限されるでしょう」とミッチェルは言いました.
いずれにせよ、この 3 番目の主要な変数を含めるために、自然と育成の二分法を拡大すると、多くの興味深い可能性が開かれます。 「それが今の私の出発点です」とミッチェルは言いました。次は、私たちが誰であり、どのようになったかについて、その拡張された方程式が次に何を明らかにするかを見るときです.
この記事は、Investigacionyciencia.es でスペイン語で転載されました .
