細菌と多細胞生物との共生関係は自然界のいたるところにありますが、中には他のものよりも複雑に絡み合っているものもあります。たとえば、ウシもオオアリも、食物を最大限に活用するために、消化器系のバクテリア パートナーに依存しています。しかし、ウシのバクテリアは動物の胃に生息するだけですが、アリのバクテリアは内部共生生物として腸細胞内に住んでいます.
内部共生を理解することは、生物学者にとって重要なパズルです。なぜなら、それは私たちが知っているように生命にとって非常に中心的なものだからです.すべての複雑な細胞に力を与えるオルガネラであるミトコンドリアは、非常に古い内部共生イベントの名残です.しかし、種間のこのような強い相互依存がどのように進化するかを説明することは、常に困難です。内部共生生物が宿主の適切な細胞に入り、世代から世代へと受け継がれることを確実に保証するメカニズムでさえ、謎に包まれている可能性があります.
先週の 自然 しかし、マギル大学で働く 3 人の科学者は、オオアリの本質的な内部共生がどのように進化し、地球上で最も成功した生物の一部になるのに役立ったかを発見したと発表しました。研究者がまとめたのは、この一見調和のとれたパートナーシップが、細胞レベルと遺伝子レベルでの決闘を通じて進化したことであり、アリの卵はほとんど単独では生存できなくなった.バクテリアは、アリの初期発生の重要な段階で遺伝的制御を掌握し、文字通り胚を自らの生存のために容器に再形成しました.
コーネル大学の進化生物学者であるコリー・モローは、「この場合の微生物は、本質的に宿主自身の細胞システムの側面を取り入れて利益を得ています」とコメントしています。
昆虫社会の進化を研究しており、研究には参加していないロックフェラー大学のダニエル・クロナウアーは、Quanta への電子メールで、この研究を「かなり技術的な力作」と称賛しました。 . 「この研究は、非常に異なるパートナー間の複雑な進化的相互作用が、進化の過程で分子レベルおよび発生レベルでどのように展開するかについての美しい洞察を提供します。」
成功のためのパートナーシップ
世界で知られている約 12,000 種のアリのうち、1,000 種以上がオオアリであり、非常に多様な属 Camponotus に属します。 .その属と他の 7 つの関連する生きている属が Camponotini を構成します アリの「部族」であり、そのすべてが腸細胞内にバクテリアを持っています。バクテリアは絶対的内部共生生物に分類されます。つまり、アリが必要とするのと同じくらいアリを宿主として必要とします。
これらの内部共生生物は、これまでに動物で記述された最初の生物の 1 つでした。 1882年、ドイツの動物学者フリードリッヒ・ブロッホマンは、オオアリの胚から微生物を発見しました。彼はそれらを誤って真菌と呼んでいましたが、科学者は後に胚の後極にある明るい DNA の雲をバクテリアと特定し、Blochmannia と名付けました。 彼らの発見者の後。大人のオオアリでは、バクテリアは必須アミノ酸を生成し、免疫に重要な役割を果たします.引き換えに、オオアリはブロッホマニアに保護的な細胞環境を提供します そしてそれらを子孫に伝え、バクテリアの生存を確実にします.
内部共生生物がどのようにしてアリに侵入したかは不明ですが、遺伝学と生態学からの証拠は、内部共生生物が Camponotus の祖先に水平移動したことを示唆しています。 約 5100 万年前、アリが糖分の分泌物と引き換えに保護した樹液を食べる昆虫から。その後、アリとバクテリアはパートナーシップを築き、現在では単一のユニットとして発達、繁殖、進化しています。モントリオールのマギル大学の Ehab Abouheif の研究室の研究者チームは、それがどのように可能であったかを知るために、産みたてのアリの卵を調べることから始めました。
発育体操
昆虫の卵と胚は、発生の初期段階ではニワトリや他の脊椎動物とはかなり異なる振る舞いをします。活性化された核は何度も複製しますが、単一の卵細胞はかなりの期間分裂しません。昆虫の卵は、別個の細胞の塊になる代わりに、単一の巨大な多核細胞であるシンシチウムを形成します。胚の構造は、核やその他の細胞物質がこの塊の中で徐々に配置されるにつれて現れます。その後、細胞質とその内容物が異なる細胞に分割されます。
母親から受け継がれたメッセンジャー RNA 分子 (母性 mRNA) は、胚の末端に位置し、ボディ プランの軸を確立するために使用されます。その後、胚が引き継ぎ、胚遺伝子の厳密なシーケンスが開始され、より多くの機能が設定されます.その連鎖の終わりに、Hox 遺伝子がオンになり、昆虫の頭、胸部、腹部を特定します。
しかし、マギルの研究者がオオアリの胚の発生を精査したとき、彼らは驚いたことに、Hoxタンパク質が最初の核分裂中に現れていたことを発見しました - 予定よりはるかに早く.タンパク質は細胞質内の母性mRNAから作られていました.「これは、私たちが知っている他の昆虫からのデータからは予想できなかったものです」と、Abouheifの研究室の大学院生で共著者のArjuna Rajakumarは述べた.
科学者たちは、31 種のアリの胚を比較することで、母親の Hox を表現するこの癖が、 発生の非常に初期のmRNAはカンポノティーニの祖先で進化したに違いない アリの部族 — そして、内部共生生物がアリの内部に住み始めるずっと前.
なぜそれらの祖先のアリがこのように発達し始めたのかは不明ですが、重要な結果をもたらしました。最終的にカンポノティーニの祖先を可能にしました。 内部共生パートナーを拾うアリ。 「この論文の重要な発見は、これらの昆虫がこの内部共生に関与するためには、すでにこれらの既存の発達システムが整っていなければならなかったということです」とモローは言いました.
そして、内部共生生物がアリの内部に入ると、昆虫の胚発生の主要な特徴が劇的に変化しました。これは明らかに、配置を制御するための両方の種による一連の動きと反撃を通じてでした。このことは、研究者がオオアリの生殖細胞系、つまり性的に成熟した成虫で卵子と精子を生成する組織に何が起こっているかを詳しく調べたときに明らかになりました。
通常、アリの卵は後極に生殖細胞系遺伝子を発現する単一のゾーンを持っています。しかし科学者たちは、オオアリの卵でそれを見た C.フロリダ州 、これらのゾーンが 4 つあります。ブロッホマンが見た後極の元のゾーンは、細菌でいっぱいです。あたかも祖先の生殖細胞系がバクテリアによって「ハイジャック」されたかのようだと、アブヘイフの研究室のポスドク科学者であり、現在はイスタンブールのベズミアレム・バキフ大学で彼自身の研究室を率いるマティーン・ラフィキは説明します.
このハイジャックは、細菌が生殖細胞系に入り、垂直感染を確実にすることを考えると、進化的に理にかなっています。しかし、生殖細胞に細菌が入り込みすぎると、アリ自身の遺伝的完全性が損なわれる可能性があります。そのため、アリは細菌を引き付けるための「おとり」として祖先の生殖系列を残すように進化した、と Rajakumar は述べた。生殖細胞系列に入る代わりに、 Blochmannia 細菌は、バクテリサイトと呼ばれる特殊な構造（スパゲッティのようなバクテリアでいっぱいの蜂の巣状のアリの細胞）に包まれ、幼虫の腸に運ばれ、最終的にアリの消化の必要性を助けることができます.
アリはさらに 2 つの生殖細胞系ゾーンを作成しました。1 つは生殖細胞系組織を生成するためのもので、もう 1 つは細菌細胞パッケージを腸に導くのを助けるためのものです。真の生殖細胞系になる細菌はごくわずかですが、次世代のアリへの感染を保証するには十分です.
「私の見方では、バクテリアは宿主に対価を払っているということです」と Abouheif 氏は言いました。
しかし、アリの胚を抗生物質にさらしてブロッホマニアを排除したときに研究者が発見したように、最終的には細菌が最後に笑う可能性があります。 .
動きと反撃
内部共生生物がいないと、半分以上の胚がまったく発生しませんでした。孵化したものは、生殖細胞に欠陥がありました。胚として、生殖細胞系遺伝子発現の 4 つのゾーンがまだありましたが、各ゾーンで発現する遺伝子のサブセットが変化していました。これらの発生中の胚は、内部共生生物を持たない古代の祖先に似たアリに戻っていました.
研究者たちは、内部共生生物が、アリの胚に自分自身の一部を組み立てる方法を指示する仕事を引き継いだと結論付けました。 「私たちが発見したことは、バクテリアが特定のmRNAとタンパク質の発現を選択的に調節できるということです」とラジャクマールは言いました. 「あたかも転写因子のように作用しているかのようです。」
特に、バクテリアは、アリの内部共生の存在に不可欠なアリの発達と生理学の側面を操縦しているようです.たとえば、多くの昆虫が Hox を使用しています 共生パートナーのために菌細胞を開発するための遺伝子。ただしカンポノティーニのみ アリの部族は、内部共生生物が Hox をオンにします 内部共生生物は、卵子細胞と精子細胞になるものに自分自身の場所を作る必要があるため、発生中の胚の生殖細胞系の遺伝子。 「バクテリアは実際に自身の運命をコントロールしています — それは自身の垂直感染を誘発しています」と Rajakumar は言いました. 「細菌を失うと、実際には新しい生殖細胞系が完全に失われます。」
パートナーに合わせて胚発生を再編成することは、アリにとっても利点となる可能性があります。その段階で細菌を細胞にパッケージングすることは、後で行うよりも簡単になる可能性があります。 「これほど多くのバクテリアを腸細胞に詰め込むには、他にどのような方法があるでしょうか?」アブヘイフは尋ねた。 「バクテリアがどこに行くかを調整できるからです」
彼は次のように付け加えました。彼らはこの段階でそれをしなければなりません。」
これらの発見は、宿主が複数のパートナーの本拠地である場合、さらに複雑な内部共生において宿主の発達がどのように変化する可能性があるかという問題を提起します.テキサス大学オースティン校で昆虫の内部共生を研究しているナンシー・モラン氏によると、たとえばセミやヨコバイのさまざまな系統は、複数の内部共生生物を何度も獲得したり、失ったり、交換したりしています。しかし、「胚形成と共生生物がどのようにパッケージ化されているか、内部共生生物を組み込むために発生の調節がどのように変化したかを調べた研究はほとんどありません」と彼女は言いました.
Abouheif は、オオアリで起こっていることは、共生と進化を含むより広い原理を説明している可能性があると考えています。細胞内局在メカニズムの微調整と、異なる発生運命を持つ新しい胚ゾーンを生成するための遺伝子発現の組み合わせの「いじくり回し」は、「人々が実際には考えていない進化のメカニズムの一種です」と彼は言いました.
段階的な移行、進化の飛躍
内部共生に関するこれまでの研究では、宿主と内部共生生物の間に相補的な遺伝子が失われ、代謝の相互依存関係が生じる可能性があることが示されています。たとえば、アリゾナ州立大学のジョン・マカッチョンは、コナカイガラムシの複雑な例を調べました。その細胞には、互いに入れ子になった 2 つの内部共生微生物が含まれています。過去 1 億年の間に、各内部共生生物は、パートナーのゲノムの酵素を遺伝子に依存するように進化しました。その結果、どのパートナーも他のパートナーなしでは代謝経路を完了できません。
しかし、Abouheif の研究室からの研究は、「遺伝子調節ネットワークが発生的に絡み合っている」ことを示した最初のものである、と Rafiqi は述べた。 「まるで合併が完了したかのようです。」
研究者たちは、この合併を、単細胞生物から多細胞生物への移行、社会性昆虫の真社会性への移行、真核細胞のミトコンドリアの起源など、「個体性の主要な進化的移行」の一例と考えています。これらの移行は通常、進化における個別の「飛躍」として現れ、それらを生み出すメカニズムはほとんど理解されていません.
しかし、この研究では、系統発生の比較を通じて、内部共生が発生する前後のアリの系統における段階的な変化を解決することができました。 「その間にあるすべての種を見ることで、これらのことがどのように発生するかをより段階的に把握できるようになります」と Rajakumar 氏は述べています。
「比較研究は内部共生において非常に重要です」とMcCutcheonは言いました。 「ある方法で起こると思っていて、姉妹グループを見てみると、まったくうまくいかない。ここでの比較アプローチは非常に強力で、研究者が Blochmannia の前に存在していた時間を計るのに役立ちます。 ブロッホマニア かわった。本当にわくわくします。」
段階的な再構築は、内部共生が起こるためには複数の条件が収束しなければならないことも示したと Rafiqi は述べた。このようなイベントは通常、まれであると見なされます。しかし、偏性内部共生のように個性の完全な移行を進化させると、「門全体に大きな影響を与えることになります」と Rajakumar は述べています。 「これらのバクテリアは、進化の原動力になる可能性があります。」
この記事は Lescienze.it でイタリア語で転載されました .
