動物、植物、菌類、原生動物の細胞はそれぞれ異なりますが、それらはすべて核という 1 つの顕著な特徴を共有しています。彼らはエネルギーを生成するミトコンドリアのような他のオルガネラも持っていますが、核 - 遺伝物質で満たされた明確に定義された多孔質の袋 - の存在が、1925年に生物学者のエドゥアール・シャトンにインスピレーションを与え、真核生物という用語を作り出しました。 「真のカーネル」を持つ生き物。彼は残りのすべてを原核生物とラベル付けし、「カーネルの前」に生きていました。この有核生物と無核生物の二分法は、生物学の基本となった.
核がどのように進化し、その分裂を作成したかを正確に知っている人は誰もいません。しかし、研究者の中には、ミトコンドリアを生成したと考えられているのと同じように、核が共生パートナーシップを通じて生じた可能性があるという証拠が増えていることを確信しています。ただし、重要な違いは、核の役割を担うパートナーが細胞ではなく、ウイルスであった可能性があることです。
酵母バイオテクノロジー企業 MicroBioGen の研究責任者である Philip Bell は、次のように説明しています。 Bell は 2001 年に真核生物の核のウイルス起源を提案し、9 月にその理論を更新しました。 「新しいコミュニティを作るために集まったのは 3 つの生物であり、最終的には統合されて、事実上、新しい生命体になりました。」
彼と他の研究者は、巨大なウイルスが原核細胞内に「ウイルス工場」を構築するという実証などの発見から確信を持っています - 核と同じように、転写 (遺伝子の読み取り) と翻訳 (タンパク質の構築) のプロセスを分離するコンパートメントです。 「今では最強のモデルだと思います」と彼は言いました。
真核生物の起源を研究するほとんどの研究者は、彼の意見に同意しないかもしれません。いくつかはまだそれをフリンジのアイデアとして説明しています。しかし、ウイルス起源の支持者は、最近のいくつかの発見がウイルスモデルと都合よく一致していると指摘し、彼らに有利な決定的な証拠がついに手の届くところにあると信じています.
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科学者は一般に、真核生物が最初に登場したのは 25 億年から 15 億年前のことだと考えています。このとき、細菌が別の種類の原核生物である古細菌の内部に住みつき、そのミトコンドリアになったことが証拠によって示されています。しかし、より深い謎が核の出現を取り囲んでいます。その太古の古細菌がすでに核を持つ一種の原始真核生物だったのか、それとも核が後から来たのかさえ、誰も知りません.
真核生物の核の起源については、その特徴のいくつかを説明する必要があります。手始めに、構造の性質があります。入れ子になった内膜と外膜、およびその内部を細胞の残りの部分に接続する細孔です。また、遺伝子の発現を内部で区分し、タンパク質の構築を外部に残す興味深い方法もあります。そして、真に説得力のある起源の物語は、核がそもそも存在する理由を説明しなければなりません — どのような進化の圧力がそれらの古代の細胞をゲノムの壁に押し上げたのか.
過去 1 世紀以上にわたって、原子核の起源に関する推測は、これらの疑問の少なくとも 1 つに答えられませんでした。しかし、21 世紀の変わり目頃、2 人の研究者が独立してウイルスが核の原因であるという考えを思いつきました.
日本では、竹村正治（当時は名古屋大学の助手）がDNAポリメラーゼ（細胞がDNAをコピーするために使用する酵素）の生化学を研究していたとき、彼はその進化に興味を持ちました。 「私は、真核生物、細菌、古細菌、ウイルスを含む DNA ポリメラーゼの系統解析を行いました」と、現在東京理科大学の分子生物学者およびウイルス学者である竹村氏は、電子メールで思い出しました。彼の分析により、ウイルスの 1 つのグループ (ポックスウイルス) が、真核生物のポリメラーゼの主要なクラスの 1 つと驚くほど類似した DNA ポリメラーゼを持っていることが明らかになりました。彼は、真核生物の酵素が古代のポックスウイルスからの寄与として発生したという仮説を立てました.
竹村はまた、ポックスウイルスが感染した細胞内のコンパートメント内で作成および複製することも知っていました。この事実の組み合わせにより、彼は、真核生物の細胞核がこれらの祖先のポックス ウイルス コンパートメントの 1 つに由来するという理論を立てました。 2001 年 5 月。
一方、オーストラリアでは、ベルはさまざまな理由で同様の結論に達しました. 1990 年代初頭の大学院生として、彼は核の起源に関する理論、特にミトコンドリアのように内部共生生物として始まった可能性があるという考えに興味を持っていました。 「5分間見ただけで、『うわあ、もしそれが内部共生生物なら、それはバクテリアではない』と思いました」と彼は思い起こす。細菌と真核生物のゲノムにはあまりにも多くの違いがあると彼は感じました.真核生物は線形染色体を持ち、細菌は環状染色体を持つ傾向があるという事実のように.
しかし、ウイルスのゲノムを調べたところ、ポックスウイルスと真核生物のゲノム構造に驚くべき類似性があることに気付きました。 「モデルの最初のバージョンを公開するのに 9 年かかりました」と彼は述べています。その後、Journal of Molecular Evolution に論文が掲載されるまでに 18 か月を要しました。 … 竹村の論文に続く 4 号。
20年近く経った今、竹村もベルも独自に仮説を更新している。竹村の改訂版は Frontiers in Microbiology でオンラインで公開されました 9 月 3 日、Bell's in Virus Research 9 月 20 日に。
両方の科学者は、アップデートの主な理由の 1 つとして、異常なグループの「巨大ウイルス」に関する最近の発見を挙げました。竹村とベルが最初の仮説を発表したとき、これらのウイルスはまったく知られていませんでした。それらのゲノムは、100 万以上の塩基対を持ち、自由に生きている小型のバクテリアに匹敵するサイズであり、細胞内の重要なプロセスに関与するタンパク質のウイルス バージョンの遺伝子を持っています。 (これらのタンパク質のいくつかの真核生物バージョンがこれらのウイルスに由来するという証拠がいくつかあります。)
しかし、最も重要なことは、これらの巨大ウイルスが宿主細胞の細胞質内の複雑な自己構築コンパートメント内で複製することです。これが、これらのウイルスがポックスウイルスと同様に核細胞質大型 DNA ウイルス (NCLDV) として分類される理由です。パスツール研究所（パリ）の進化生物学者であるパトリック・フォルテールは、これらの巨大ウイルスにとって、それらが作るコンパートメントは「真核生物の核と同じ大きさのウイルス工場」であると述べた。言うまでもなく、真核生物に感染する NCLDV によって作られるウイルス工場にも、核のような内膜と外膜があります。 Forterre、Takemura、Bell が言うところの核の起源は巨大ウイルスです。
Forterre 氏によると、核が巨大ウイルスに由来する可能性のある 2 つの方法が考えられます。 「ウイルス工場が核になるか、原始真核細胞が…染色体を保護する一種のウイルス工場にするためにウイルスから学びました」と彼は言いました。
竹村は後者の可能性が高いと考えています。つまり、ウイルスは真核細胞への意図しない貢献者であり、古細菌による遺伝的障壁の構築の刺激であり、それを構築するために必要な遺伝子の一部の供給源でもあったと考えています.
彼の仮説によれば、はるか昔、巨大なウイルスがウイルス工場を構築し、それ自身のゲノムだけでなく、古細菌の宿主のゲノムも囲んでいた。しかし、ほとんどの感染細胞とは異なり、この宿主はウイルスのバリア構築のトリックを盗み出し、ウイルスからゲノムを防御する独自のコンパートメントを構築しました。時間が経つにつれて、この半永久的なバリアは、私たちが知っている核に進化しました.
ベルは、ウイルス工場が直接核になったバージョンを好みます。そのプロセスは、今日の原核生物に感染するウイルスの既知の動作をより厳密に反映しているからです。 「彼らはボディ・スナッチャーの侵略に似ています。
彼は、古代の巨大ウイルスが古細菌に感染し、ウイルス工場を立ち上げたが、その宿主細胞を殺さなかったと信じています.代わりに、構造は何とか固執しました。 「そして、遺伝子泥棒であるウイルスが古細菌から遺伝子を盗み、そのゲノムを完全に破壊した」と彼は説明した。これは、ウイルス、特に巨大ウイルスに共通するテーマです。ウイルスは宿主から遺伝子を取得するため、宿主への依存度が低くなります。これは、非常に多くのミトコンドリア遺伝子が核に移動した理由を説明するのにも役立つかもしれません.
ある意味では、「ウイルスは古細菌の細胞をマントとして着ているだけです」とベルは言いました。そして、そのモデルが正しければ、彼は次のように指摘しました。
争われた起源
竹村とベルによるこれらの初期の出版物以来、いくつかの発見は、核のウイルス起源の考えとよく一致しています。巨大なウイルスの系統樹の全枝が発見された。例えば、ウイルスの進化、特にウイルスが宿主と交換した必須遺伝子、つまりウイルスが盗んだり、場合によっては宿主に与えたりしたものについての理解が深まった。
さらに、2017 年に研究者は、細菌宿主内にウイルス工場を構築するウイルスを発見しました。それまでは、ウイルス工場は真核生物に感染するウイルスだけのものであると思われていたため、原核生物でウイルス工場が発見されたことで、核の形成を開始するためにずっと前に同様のことが起こった可能性があるという考えが強まりました.
そのウイルスの場合、「この核のような構造は膜ベースではない」と竹村氏は述べ、それが多くのウイルス工場や真核生物の核とは異なる.それでも、彼は、原核細胞内のゲノムの周りに保護的な「コンパートメント」を構築するウイルスのこの例は、「祖先の真核細胞で…ウイルスによる同じ種類のコンパートメント化が[発生した可能性がある]ことを強く示唆している.」
ちょうど今年、研究者はコロナウイルスの二重膜結合ウイルス工場に細孔を発見しました。これは、細胞核に見られる細孔を不気味に連想させます。ウィスコンシン大学の進化生物学者であるデビッド・A・バウムは、次のように書いています。マディソン、メールで。
それでもバウムは、核の起源にウイルスが関係しているという考えを支持していない。彼にとって、この考えは問題を複雑にするだけです。 「真核発生におけるどの問題が、その解決策としてウイルスを必要としますか?」彼は書いた.
Baum は、彼のいとこでユニバーシティ カレッジ ロンドンの細胞生物学者である Buzz Baum とともに、別の仮説を提案しました。それは、核は実際には祖先の古細菌の外膜の残骸であるというものです。基本的に彼らは、先祖代々の古細菌が周囲の世界に到達し始め、これらの探索的な膜の小疱を通じて細菌と関連していると考えています。時間が経つにつれて、ブレブは成長し、再び融合するまで成長し、新しい外膜と内膜の折り畳みが生成され、他の細胞内コンパートメントが生じました. 「真核生物に最も近い生きていることが知られている近縁種は、原核生物と相互作用する広範な細胞外突起を持っています」と David Baum は指摘し、「私たちが提案したモデルと非常に驚くほど似ています。」
ウイルスが真核生物に最も重要な核タンパク質のいくつかを与えたという証拠に関して、彼の主な懸念は、方向性を確認するのが非常に難しいということです. 「ウイルスは究極の盗癖者です」と彼は言いました。 「ウイルスと真核生物の間に類似点があるかどうかを尋ねるには、非常に注意する必要があると思います。彼らがそれを真核生物に与えたのか、それとも真核生物が彼らに与えたのかはわかりません。」
パリ・サクレー大学の微生物生態学者であり、フランス国立科学研究センターの研究主任であるピュリフィカシオン・ロペス・ガルシアも同様に、真核生物がもともとウイルスタンパク質であったものに依存しているとは確信していません. 「ウイルスと細胞および真核生物の核との間に相同関係があるという証拠はまったくありません」と彼女は言いました.
しかし、López-García も Baums のブレブ モデルに同意しません。彼女と彼女の同僚は、真核生物がミトコンドリアになるバクテリアを飲み込む古細菌から始まったとは考えていません。代わりに、彼らの見解では、古細菌は以前の内部共生イベントの結果として、より大きなバクテリアの中にすでに住んでいました。 「したがって、私たちのモデルでは、核はこの古細菌に由来し、細胞質は細菌に由来し、このデュオはミトコンドリアを取り込んだと彼女は説明した.
しかし竹村氏は、これらの他の仮説には欠陥があると述べている。なぜなら、それらはせいぜい「核が出現したという現象を説明するだけ」だからであり、なぜゲノムが箱に入れられたのか、なぜタンパク質を作る部分が除外されたのかについての進化論的根拠を欠いている.これは Bell にとっても問題です。彼は、転写と翻訳の分離を他の仮説がどのように説明しているのかわかりません.
Forterre 氏は、ウイルスの起源が最も理にかなっており、最も強力な証拠があると述べています。 「私は彼らが本当に深刻だとは思わない」と彼は対立する理論について語った. 「この話ではウイルスが大きな役割を果たしていると思います。」
発見待ち
Baums や López-García のような科学者が Forterre の視点に近づくよう説得するには、さらに多くの証拠が必要です。しかし、20 年に及ぶテクノロジーの進歩により、ついにその証拠が手の届くところにあるかもしれません。
ちょうど今年、日本の研究者たちは、10 年以上の試行錯誤の末、最終的にロキアーキオータ門を分離して培養したと発表しました。これは、私たちの遠い親戚に感染するウイルスを発見し、それらの感染が実際にどのように見えるかを正確に視覚化するための扉を開く可能性があります.
「ロキアーキオータ門に感染する新しいクラスのウイルスが見つかった場合、それが細胞内に入り、そこにキャンプを張り、細胞質への転写産物の急速な流れを促進するために毛穴を開けた場合、それは [より] 説得力のある証拠となるでしょう」デビッド・バウムは言いました。
ベルは、ロキアーキオータが発見されたのとまったく同じ深海堆積物から、巨大なウイルスの山が最近配列決定されたことに注目しました。彼は、誰かがこれらのウイルスのいずれかが古細菌に感染できるかどうか、もしそうなら、真核生物に感染するNCLDVによって作られるものと同様のウイルス工場を構築するかどうかをテストすることを望んでいます.それを証明すると、「ゲームオーバー」になると彼は言いました。
竹村も、そのようなウイルスが存在することを望んでいます。 「古細菌細胞で核様および膜ベースの構造を構築する古細菌ウイルスの発見は、核のウイルス起源の最も強力な証拠となるでしょう」と彼は言いました.
そのような並外れた証拠が手に入るまで、ウイルスの真核発生は論争の的となるでしょう.しかし、たとえそれが受け入れられるための戦いに勝つことにはならなかったとしても、理論のすべてのテストは私たちの進化の過去の断片を明らかにします - そしてそのため、私たちはどこから来たのかについての真実を学ぶことにますます近づいています. .
