必須遺伝子は、進化の過程で凍結されていると考えられることがよくあります。変化したり死んだりすると生物は死に至るため、進化したとしても非常にゆっくりとしか進化しません。何億年もの進化の過程で昆虫と哺乳類が分離されましたが、実験によるとHox ショウジョウバエのボディプランの発達を導く遺伝子 ショウジョウバエとネズミは非常に似ているため、問題なく交換できます。この驚くべき進化的保存は、ゲノム研究の基本概念です。
しかし、新しい研究は、この遺伝的保存の理論的根拠をひっくり返します。シアトルのフレッド ハッチンソンがん研究センターの研究者は、先週 eLife で報告しました。 ショウジョウバエの大規模なクラスの遺伝子は、生存に不可欠であり、非常に急速に進化しています。実際、科学者の分析は、変化し続ける遺伝子の能力が遺伝子の本質的な性質の鍵であることを示唆しています。 「これはドグマに疑問を投げかけているだけでなく、ドグマを水から吹き飛ばしています」と、この研究を監督したハワード・ヒューズ医学研究所の調査員であるハーミット・マリクは言いました.
シカゴ大学の進化遺伝学者である Manyuan Long 氏は、次のように述べています。 「研究者たちは、急速に変化するヘテロクロマチンが新しい必須遺伝子の進化を促進することを発見しました。すごい！」
新しいことの意外な重要性
1970 年代と 80 年代には、必須機能の遺伝子には高度に保存された配列があり、その逆もまた同様であるという考えが、進化と発生生物学の分野を支配していました。新しい遺伝子は、あったとしてもめったに発生しないと考えられていました。しかし、2000 年代初頭までに、若くて急速に進化する遺伝子が自然界で珍しくないことを示した研究者が数人いました。これらの若い遺伝子の機能の進化を取り巻く大きな疑問がありましたが、それらは基本的には添えものであり、小さくて重要でない利点と改善のみを提供し、生存に不可欠なものではないと仮定されていました.
そのため、2010 年にロング博士と彼の学生たちが ショウジョウバエ の 200 の若くて新しい遺伝子を「ノックダウン」したとき、ロング博士はとても驚きました。 RNA干渉と呼ばれる技術を使用しています。これらの若い遺伝子のほぼ 30% が必須であることが判明しました。ハエはそれらなしで死にました。しかし、さらに驚くべきことに、ほぼ同じ割合の古い遺伝子が必須であり、それらの約 25% ～ 35% に過ぎませんでした。若い遺伝子は、古い遺伝子と同じように重要な機能をコードしている可能性がありました。
「私は本当にショックを受け、非常に興奮しました」とロングは言いました。 「この分野の古い考えは正しくないと感じました。」彼らの発見は非常に因習打破的なものに思えたので、Long 氏は慎重にデータを収集し、CRISPR のような新しい技術を使用してそれをさらにテストすることに決めたと言います。彼のチームは、最近のプレプリントで 2010 年の研究を更新し、以前の研究からのいくつかの方法論的課題に対処し、分析を 702 の新しい ショウジョウバエ に拡大しました。 遺伝子。新しい論文は同じ一般的な結論に達しましたが、新たな疑問を投げかけました:これらの若い遺伝子は正確に何をしていたのか、どのようにして重要になったのか?
新旧の比較
それを調べるために、マリクと大学院生のバヴァタリーニ カシナサンは ZAD-ZNF に注目しました。 遺伝子、昆虫の転写因子の最大のファミリー。これらのいくつかは、ロングの以前の研究で新しい必須遺伝子としてフラグが立てられていましたが、それらの機能はよく理解されていませんでした.これらのうち約 70 ZAD-ZNF 遺伝子はすべての ショウジョウバエ に存在することが判明しました しかし、20 種はそうではありませんでした:さまざまな ショウジョウバエ の 4000 万年にわたる進化の中で、それらは数回獲得されたり失われたりしました
研究者が驚いたことに、メラノガスターに固有の 20 の遺伝子 は、4000 万年にわたって厳密に保存されていた 70 と同じように、必須機能をエンコードする可能性が高かったのです。これらの結果は、ショウジョウバエ全体にわたるロングの観察を独立して確認しました。 その結果、ロングは「美しい」と呼んでいます。
しかし奇妙なひねりを加えて、マリクとカシナサンは、D. に特異的な 20 の遺伝子の中にあることを観察しました。 メラノガスター 、最も急速に進化するものは、よりゆっくりと進化するものよりも本質的な機能をエンコードする可能性がはるかに高かった.
調査のこの時点で、マリクは次のように述べています。これは何ですか？」
関連性を維持するための競争
この不可解な結果をさらに掘り下げるために、Kasinathan は Nicknack の機能の手がかりを探しました。 そしてオッドジョブ 2 つの重要な ZAD-ZNF 急速に進化した遺伝子。 ショウジョウバエのどこで活動しているかを調べたところ、 これらの転写因子は、ほとんどの遺伝子が存在するゲノムの一部であるユークロマチンに局在していませんでした。
代わりに、それらはヘテロクロマチンに局在しました。これは、非コードDNAやその他のいわゆるゲノムジャンクのほとんどが含まれているため、主にサイレント状態に保たれている密集したDNAの領域です.ヘテロクロマチンは分子生物学者によってほとんど無視されてきた.しかし、ヘテロクロマチンはゲノムの退屈なジャンクヤードと見なされていますが、セントロメア、タンパク質の作成を支援するリボソーム RNA、およびゲノム全体の遺伝子発現を制御するいくつかの調節 RNA など、細胞のハウスキーピングに不可欠ないくつかの配列が含まれています。非常に急速に進化するため、異なる種のヘテロクロマチン コンパートメントはすべて多かれ少なかれ同じ重要な機能を果たしますが、それらの根底にある DNA 配列はまったく異なります。
マリクによると、これがOddjobの理由を説明しています とニックナック 非常に急速に進化します。機能を維持するには、ヘテロクロマチンの変化する DNA 環境に適応する必要があります。ある意味では、それらは一種の軍拡競争で急速に進化する病原体に追いつくために急速に変化する免疫系の遺伝子のようなものです.しかし、この場合、マリクは、「本質的な機能を維持するためだけに、ゲノムで軍拡競争が行われているようなものです」と述べています。
これら 2 つの遺伝子の機能をさらに調査するために、研究者は Nicknack のコピーを交換しました。 姉妹種間 D.メラノガスター と D. シミュレーション 遺伝子の 2 つのバージョンが機能的に互いを置き換えることができるかどうかを確認します。不思議なことに、彼らは Nicknack メラノガスターから simulans を救うことができた オスではなくメス。それは、オスがヘテロクロマチンでいっぱいの巨大な Y 染色体を持っているからだとマリクは説明します。 メラノガスターから simulansの生存を確保するのに十分な機能を回復できます 女性ですが、simulans で急速に進化するすべてのヘテロクロマチンに圧倒されます 男性。
「開発において、私たちは非常に重要な遺伝子について考えます…非常に高度に保存されていることです」とカシナサンは言いました。 「しかし、これは発生にとって非常に重要な遺伝子ファミリーのケースであり、密接に関連する転写因子を交換しても機能しません。それは驚くべきことであり、ちょっとクールです。」
なくてはならない存在になる方法
逆説的でもあります。新しい遺伝子が不可欠である場合、以前の生物はそれらなしでどのように生きていたのでしょうか?マリクは 2 つの可能性を見ています。 1つは、祖先の遺伝子がその機能を新しい遺伝子に譲ったことです。もう 1 つは、新しい遺伝子が先祖の生物が必要としなかった機能を実行することです。今日の種は、祖先が直面しなかった問題に直面しており、それらの新しい問題には新しい解決策が必要です。しかし、「この重要な機能の必要性を最初に生み出したのが、実際にこれらのヘテロクロマチン配列の進化であるとしたら?」マリクは尋ねた.
「本質的な機能自体は保存されていない可能性があり、それは異端の概念です」と彼は続けました. 「重要な遺伝子が保存されていないと言っているだけではありません。実際には、本質的な機能が保存されていない可能性があると言っているのです。なぜなら、それはすべてコンテキスト固有だからです.」
Kasinathan と Malik は、もう一方の ZAD-ZNF に注意を向けています。 転写因子であり、その多くはヘテロクロマチンにも局在します。 「遺伝子が非常に乏しいため、基本的に無視したゲノムのこのコンパートメントは…実際には、少なくとも ZAD-ZNF のものです。 若い遺伝子が不可欠になるというこのパラドックスへの答えです」とマリクは言いました.
この洞察は、さまざまな病状や生物学的謎に関連する遺伝子を特定する上で重要であることが証明される可能性があります。 「セントロメアの機能に興味がある場合、ヒト、酵母、ハエの間で完全に保存されている遺伝子だけを見ると、潜在的な治療標的となる非常に重要な遺伝子を見逃す可能性があります」とマリクは言いました。 「私たちは直感とドグマに偏り、多くの重要な生物学を見逃している可能性があります。」
訂正:2020 年 11 月 16 日
この記事はもともと の期間を誤って記述していました ショウジョウバエの進化は 4000 万年ではなく 6000 万年。
