クリスティアン・カニェストロが 2000 年代初頭に、脳と背骨を持つ動物がどのように進化したかを研究するために着手したとき、彼は オイコプレウラ と呼ばれるホヤを選びました 有益な題材として。すべてのホヤと同様に、ホヤには小さな脳と神経索がありますが、他のホヤとは異なり、 オイコプレウラ 成熟するまでの過程で変態を経験しません。カニェストロはオイコプレウラだと思った おそらく他のホヤよりも単純で先祖代々の特徴を保持しており、ホヤが何から進化したかのガイドになる可能性があります.
バルセロナ大学の遺伝学、微生物学、統計学の教授であり、生物多様性研究所のグループリーダーであるカニェストロ氏は、「そして、それが私の欲求不満の始まりでした」と語った.彼のチームは、Oikopleura 内で特定の遺伝子を見つけることができませんでした のゲノムは、動物間で非常に保存されているため、そこにあるはずです。特に、レチノイン酸の合成、修飾、または分解に関与する遺伝子は存在しませんでした。レチノイン酸の受容体でもありませんでした。しかし、レチノイン酸シグナル伝達は、脳、神経索、およびその他の重要な機能を作るために不可欠であると考えられていました.さらに、オイコプレウラ また、心臓組織の発達を引き起こすのに重要と思われる遺伝子も欠いています.
「頭の中で車を想像すると、もちろん車輪が付いていますよね？では、車輪のない車を見つけたと言ったらどうしますか?」カニェストロは尋ねた。 「私たちが必要だと思っていたものがそこにないという状況を発見しました.[それらが作る]構造はまだそこにあります.そしてそれは、いくつかの遺伝子の本質を再考させてくれます。」
Nature Ecology &Evolution に掲載された 2 つの驚くべき分析 今年の初めに、遺伝子がどれほど重要でないか、そして進化がいかに創造的にそれらを失うことに対処できるかを痛感しました.スペインと英国の研究者は、動物界全体の何百ものゲノムを分析することで、驚くべき程度の遺伝子喪失が生命の木に浸透していることを示しました。
彼らの結果は、初期の動物でさえ比較的複雑なゲノムを持っていたことを示唆しています。これは、生命の歴史の早い段階で遺伝子重複が前例のないほど急増したためです。その後、動物の系統が異なるボディプランを持つ異なる門に進化するにつれて、それらの遺伝子の多くが消失し始め、その後の進化の主な要因は遺伝子の喪失であり続けました.実際、遺伝子の喪失は、生物の多くのグループが祖先から離れ、新たな環境問題に打ち勝つのに役立ったようです.
植物生物学者のギュンター・タイセン氏は、最近まで進化における遺伝子の喪失を研究することは困難でした。ドイツのフリードリッヒ・シラー大学イエナで。科学者たちは、遺伝子の喪失は共生種または寄生種の間で最も一般的である可能性があると考えていました.
しかし、より多くのより高品質のゲノムが利用可能になったことで、研究者は動物界全体にわたる遺伝子損失のパターンを調べることができ、この現象が単純化された、または寄生的な系統や動物グループに限定されないことが明らかになりました。ブリストル大学の進化生物学者で、比較ゲノミクスを研究し、2 つの大きなゲノム解析の 1 つの共著者である Jordi Paps 氏は、次のように述べています。
遺伝子喪失が動物界全体の進化にとって重要であるという認識は、研究の新たな扉を開きます。遺伝学者は、遺伝子の働きを理解する必要がある場合、「ノックアウト」突然変異を持つ実験用マウスを作成し、動物が損失に対処するかどうか、およびどのように対処するかを確認できます。 オイコプレウラだけでなく、自然が実際に大規模なノックアウト実験を行っているという発見 しかし、あらゆる種類の複雑な生物について、evo-devo として知られる分野の焦点である、進化がどのように発達を形成するか (およびその逆) についての豊富な洞察を提供するはずです。
使うか失うか
遺伝子は生命と健康を可能にする特性を与えるため、進化における遺伝子の損失は有害な出来事のように聞こえるかもしれません.個体が真に不可欠な遺伝子を失った場合、その個体は死ぬか繁栄できず、自然淘汰によって個体群から淘汰されることは事実です.しかし実際には、進化中の遺伝子損失の大部分は中立的なものである可能性が高く、生物の適応度への影響はないと、ドイツのドレスデンにあるマックス プランク分子細胞生物学および遺伝学研究所の進化ゲノミスト、マイケル ヒラーは述べています。
その理由は、環境や行動の変化によって遺伝子の必要性が低下した後に、進化的な遺伝子の喪失がしばしば起こるためです。たとえば、重要な栄養素やビタミンが突然利用可能になった場合、それを作るための生合成経路が不要になり、突然変異やその他の遺伝的事故によりそれらの経路が失われる可能性があります.偶然の遺伝子重複の後、余分なコピーが退化すると、選択によって保存されなくなるため、損失も発生する可能性があります。
植物は、この「使うか失うか」戦略の豊富な例を提供します。これは、多くの植物種が全ゲノム重複とそれに続く遺伝子喪失の波を経験しているためだと、フリードリッヒ・シラー大学イエナ校の植物生物学者であるリディア・グラムゾウは説明しています。 Gramzow と Thießen が現在調査中の理由により、重複したコピーが失われるまで何百万年も存続することがあります。
シロイヌナズナのさまざまな形態の遺伝子を調べた最近の研究では、 世界中の植物を調べたところ、中国とカリフォルニアの研究者は、タンパク質をコードする遺伝子の約 66% に、機能喪失変異体として知られる壊れたバージョンがあることを発見しました。驚くべきことに、これらのあまり機能しない遺伝子の 1% は正の進化選択下にありました。つまり、遺伝子が欠落または壊れている植物は、機能するバージョンを持つ植物よりもよく育ちました。これらの結果は、1999 年にワシントン大学の遺伝学研究者である Maynard Olson によって提唱された「少ないほどよい」という興味深い考えを裏付けています。
ヒラーが昨年報告したように、動物における適応遺伝子の損失の最も良い例の 1 つはクジラ目 (クジラやイルカを含む水生哺乳類の目) に見られ、他の哺乳類に見られる 85 のタンパク質コード遺伝子を失っています。これらの損失の多くはおそらく中立的なものですが、ダイビング中の血管の狭窄など、ダイビング関連の適応に関連しているように見えるものもあります.失われた遺伝子の 1 つ、KLK8 、興味深いのは、皮膚の汗腺と脳の海馬の両方の発達に関与しているためです。鯨類は陸地から水域への移行中にそれを失いました。この遺伝子の喪失は、より厚い表皮の発達と毛髪の喪失に関連しています (毛髪は水中環境では順応性がなく、陸上動物のように抗力を生み出し、体熱を保持しません)。
予測可能な損失
ヒラーのグループは、遺伝子損失がどの程度反復可能で予測可能かを調査するために、肉食および草食哺乳類の系統における収束遺伝子損失を研究しました。遺伝子喪失の多くは、動物がもはや必要としない形質に関係していましたが、Hiller は、少なくとも 1 つの喪失は適応性があったと提案しています。食事中の脂肪を消化する酵素を阻害する、PNLIPRP1 と呼ばれる特定のタンパク質があります。草食動物の多くのグループは、このタンパク質をコードする遺伝子を個別に失いましたが、熱心な肉食動物はそれを保持していました。実験では、この遺伝子がマウス (雑食性) でノックアウトされると、動物は食物から過剰なカロリーを得るため、太りすぎになります。草食動物は低脂肪食を最大限に活用する必要があるため、動物が PNLIPRP1 に固執する理由はほとんどない可能性があります。
同様の収束損失は、同様の生態系に生息する酵母でも発生しています。シンガポール国立大学のテマセク生命科学研究所の上級研究員であるグレゴリー・ジェッドは、ネオレクタに興味を持つようになりました。 、酵母とグループ化されていますが、多細胞菌類のすべての特性を持つ生物のあいまいなグループです。 Jedd と彼の同僚であるカリフォルニア大学リバーサイド校の Jason Stajich が Neolecta のゲノム配列を決定した後、 種、彼らは何百もの祖先遺伝子を特定することができました Neolecta および他の多細胞菌類は、2 つの単細胞酵母、出芽酵母 (S accharomyces セレビシエ 、ビール醸造業者やパン屋によく知られている）および分裂酵母（Schizosaccharomyces ポンベ 、中央アフリカでバナナビールを作るのに使用されていた）は、それぞれ別々に失われました.
これらの発見は、酵母が多細胞の祖先から単細胞の生活様式を独立して進化させたことを示唆しています。失われた遺伝子の多くは酸素代謝反応に関与しているため、出芽酵母と分裂酵母は、酸素の少ない生息地で繁栄するために、同じ遺伝子の機能的除去にそれぞれヒットした可能性があります。収斂する遺伝的変化は、酵母の単細胞性および「条件的嫌気性」ライフスタイルに対する最適な解決策を反映している可能性があります。 「これは、進化が私たちが考えていたよりも予測可能で決定論的である可能性があることを示唆しているため、興味深いものです」と Jedd 氏は述べています。
その後の酵母ゲノムのより包括的な分析により、遺伝子損失が酵母門全体に広がっていることが示されました。ヴァンダービルト大学のアントニス ロカス、ウィスコンシン エネルギー研究所のクリス トッド ヒッティンガー、およびその共著者が論文に書いているように、「私たちの結果は、還元進化が進化の多様化の主要なモードであると主張しています。」
もちろん、遺伝子を投棄することによって進化するリスクは、ある遺伝子が特定の環境条件では不要であったとしても、数百万年後に再び必要になる可能性があるということです、と Jedd は言います。じゃあ何？少なくとも、酵母は時々遺伝子を取り戻すことができます.
リスボン大学のポスドク研究員である Carla Gonçalves は、アルコール発酵のための酵素を失った酵母系統を研究しています。この能力は、酵母が水平遺伝子伝達を介してそれらの遺伝子の細菌バージョンを獲得したときに回復したことを彼女は発見した.実際、酵母は多様な代謝経路に関与するさまざまな遺伝子を失い、複数の細菌からそれらを再獲得したと彼女は言います.
古い問題に対する新しい解決策
酵母だけが代謝の妙技を持っているわけではありません。イルカとクジラ、旧世界のオオコウモリ、ゾウ — 比較的大きな脳を持つ 3 つの系統 — はすべて、遺伝子 HMGCS2 を失っています。 、ケトジェネシスに必要な、科学者が考えていた代謝プロセスは、エネルギーを大量に消費する大規模な脳の活動と成長をサポートするために必要でした.脳細胞はブドウ糖を消費しますが、それが利用できないときは、脂肪酸からケトン体で燃料を供給します.脂肪酸をケトン体に変換する酵素である HGMCS2 は、絶食中に特に重要になります。
この酵素を持たない動物は、しばしば飢餓に敏感です。この遺伝子を失ったオオコウモリは、わずか 24 時間の飢餓で死ぬ可能性があります。しかし、クジラ目とゾウはもっと長い間絶食することができます。「これはどういうわけか、彼らが飢餓の期間中に脳に燃料を供給するさまざまな方法を見つけたに違いないことを示しています」とヒラーは言いました.
実際、進化の記録はHMGCの喪失を示しています。 S 2 ゾウと鯨類の系統における脳サイズの独立した進化的拡大の前に発生しました。 「哺乳類の進化において、大きな脳は、代謝プロセスとしてケトジェネシスを持たずに少なくとも 2 回進化しました」とヒラーは言いました。 「これは、エネルギー代謝がおそらく以前に評価されていたよりも柔軟であることを示しています。」
ゾウやクジラ類がどのようにしてケトジェネシスなしで飢えた脳に栄養を与えているのかはまだわかっていませんが、生理的課題に対処するための別の方法を進化させたようです. 「この重要な遺伝子が失われていることを観察しなければ、これが例外的な系統であることを知ることはできなかったでしょう」と Hiller 氏は述べています。
これらの例は魅力的であると Jedd は言い、これらの新しい解決策が最初に出現したときはおそらく最適ではなかったが、どのようにして先祖代々の脳に燃料を供給する方法に取って代わるようになったのかという疑問を提起します.
重要な遺伝子を差し引くことによって進化が達成した代謝または発生のパズルに対するさまざまな解決策は、新しい生物学的洞察を明らかにする以上のことを行うことができます。それらは、人間の病気に対する新しい生物医学的介入を刺激する可能性があります。
ヒラーは、人間の病気に関連する機能不全の遺伝子を欠く動物に何が起こるかを調べてきました。いくつかの興味深いケースでは、その遺伝子の喪失が他の哺乳類に病気の症状を引き起こすことは知られていません.たとえば、TBX22 転写因子の遺伝子がヒトで機能しない場合、口蓋裂を引き起こす可能性があります。しかし、モルモット、イヌ、ケープゴールデンモグラにはその遺伝子がありません。口蓋欠損なしでどのように発達するかを研究することは、生物医学研究の有望な方向性になる可能性があります.
このアプローチは、通常の実験モデルを一変させます。通常、研究者は、疾患変異をマウスまたは他のモデル生物に導入して疾患状態を再現することによって研究します。しかし、進化的ノックアウトを特定することで、「同じ遺伝子を失ったにもかかわらず病気にならない方法」が明らかになる可能性があると、Hiller は説明した。 「概念的には別の方向です。」
より一般的に言えば、生命の系統樹における遺伝子喪失の蔓延は、進化発生生物学における古典的なテーマの逆転を示しています。 1970 年代と 80 年代に、「大きなショックは、ハエと人間が同じ遺伝子を使用していることを発見したことでした」と Cañestro 氏は述べています。フライを交換 Pax6 ハエはまだ目を作ることができます。 「現在、[成長する] 構造は同じであっても、構造を作る遺伝子には多くの違いがあることがわかっています」と彼は言いました。 「これほど多くの異なる遺伝子が存在するのに、構造が同じであるということがどうして可能なのでしょうか?これが進化と進化の逆パラドックスです。」
