およそ 5 億年前、真核生物の発生過程を永遠に変える何かが、ある幸運な生物のゲノムで醸造されていました。Pax6 と呼ばれる遺伝子です。 .この遺伝子は、原始的な視覚系の形成を調整したと考えられており、今日の生物では、目のさまざまな部分を構築するために 2,000 を超える遺伝子を動員する遺伝子カスケードを開始します。
Pax6 転写因子をコードする数千の遺伝子のうちの 1 つにすぎません。これらの遺伝子は、それぞれ数千の他の遺伝子を増幅およびサイレンシングする強力な能力を持っています。遺伝学者は、比較的単純で直接的な機能を持つ遺伝子がどのように進化したかを理解することに飛躍を遂げましたが、転写因子の説明はほとんど科学者を避けてきました.問題は、転写因子の成功は、それがゲノム全体の膨大な数の部位を同時に標的とするのにどれだけ有用であるかに依存することです。自然淘汰がどのようにそれを可能にするかを想像するのは難しい.コーネル大学の分子生物学者である Cédric Feschotte は、この答えが、目などの複雑な進化上の新奇性がどのように発生するかを理解する鍵を握っている可能性があると述べています。
Feschotte は 10 年以上にわたり、トランスポゾンが真核生物ゲノムの究極のイノベーターであると指摘してきました。トランスポゾンは、自分自身をコピーし、それらが作るスプライシング酵素を使用してそれらのコピーをゲノム全体に挿入できる遺伝要素です。 Feschotte は、彼が探し求めていた喫煙銃をついに見つけた可能性があります:彼と彼の同僚が最近 Science で報告したように 、これらのジャンピング遺伝子は、過去 3 億年にわたってテトラポッドでほぼ 100 回他の遺伝子と融合しており、結果として生じる遺伝子マッシュアップの多くは転写因子をコードしている可能性があります。
この研究は、いわゆるマスター レギュレーターがどのように Pax6 を好むかについてもっともらしい説明を提供します。 新しい研究の最初の著者であり、Feschotte の研究室の博士課程の学生であり、現在は国立衛生研究所のポスドクである Rachel Cosby は、生まれた可能性があると述べています。科学者はPax6と理論づけていましたが 数億年前にトランスポゾンから生じたが、それ以降の突然変異により、それがどのように形成されたかについての手がかりが不明瞭になっている. 「おそらくトランスポゾンに由来することがわかりましたが、それはずっと前に起こったため、それがどのように進化したかを確認する機会を逃しました」と彼女は言いました.
オーストラリアのアデレード大学でバイオインフォマティクスおよび計算遺伝学の議長を務める David Adelson 氏は、この研究には関与していませんが、次のように述べています。それ自体が原因です。」
科学者たちは、トランスポゾンが確立された遺伝子と融合できることを長い間知っていました。これは、ほんの一握りのトランスポゾンに固有の遺伝子シグネチャが見られたためですが、これらのありそうもない融合イベントの背後にある正確なメカニズムはほとんど知られていませんでした約 600 のテトラポッドからのトランスポゾン シグネチャを持つ遺伝子を分析することにより、研究者は、トランスポゾンと融合した可能性のある 106 の異なる遺伝子を発見しました。ヒトゲノムには、このようにして生まれた可能性が高い 44 の遺伝子が含まれています。
真核生物の遺伝子の構造は、タンパク質を作るための設計図がイントロンによって分割されているため、複雑です。これらの非コード配列は転写されますが、タンパク質への翻訳が起こる前に、メッセンジャー RNA 転写物から切り取られます。しかし、Feschotte の新しい研究によると、トランスポゾンは時々イントロンに飛び込み、翻訳されるものを変えることができる.これらのケースのいくつかでは、融合遺伝子によって作られたタンパク質は、元の産物とトランスポゾンのスプライシング酵素 (トランスポザーゼ) のマッシュアップです。
融合タンパク質が作られると、そのトランスポザーゼ部分は依然としてトランスポゾンに引き付けられるため、「ゲノム全体に散在する潜在的な結合部位の既成のセットを有する」と Adelson 氏は述べた。融合タンパク質の潜在的な結合部位が多いほど、細胞内の遺伝子発現が変化する可能性が高くなり、新しい機能が生じる可能性があります.
「これらは単なる新しい遺伝子ではなく、タンパク質のまったく新しいアーキテクチャです」と Feschotte 氏は述べています。
Cosby は、この研究で説明されている 106 の融合遺伝子を「氷山の一角」と表現しました。 Adelson 氏も同意し、その理由を次のように説明しています。融合遺伝子が集団全体に広がり、時の試練に耐えるためには、自然も何らかの方法でそれらを積極的に選択する必要があります.研究者が研究で説明されている例を非常に簡単に発見したためには、トランスポゾンが融合イベントをより頻繁に引き起こすに違いない、と彼は述べた.
「これらすべてのステップが起こる可能性は非常に低いですが、これが進化のしくみです」と Feschotte 氏は述べています。 「それは非常に風変わりで、日和見主義的であり、最終的にはほとんど起こりそうにありませんが、何億年というタイムスケールで何度も何度も起こることがわかります。」
融合遺伝子が転写因子として機能するかどうかをテストするために、Cosby と彼女の同僚は、2,500 万から 4,500 万年前にコウモリで進化したものに焦点を合わせました。彼らが CRISPR を使用してコウモリのゲノムからそれを削除したとき、その変化は目覚ましいものでした。削除により、何百もの遺伝子が調節不全になりました。彼らがそれを回復するとすぐに、通常の遺伝子活動が再開しました.
アデルソンにとって、これは、コスビーと彼女の共著者が事実上「これらの核融合イベントの1つをその行為で捉えた」ことを示しています.彼は、「新しい転写因子が比較的最近取得された場合、転写ネットワークの大規模な再配線を引き起こすとは思わないため、特に驚くべきことです.」
研究者らは他の融合タンパク質の機能を決定的に決定していませんが、転写因子の遺伝的特徴はそこにあります.融合タンパク質の約3分の1には、動物のDNA転写の抑制に関連するKRABと呼ばれる部分が含まれています.トランスポザーゼが KRAB をコードする遺伝子と融合する傾向がある理由は謎である、と Feschotte は述べた.
トランスポゾンは真核生物の DNA のかなりの部分から構成されていますが、生物はその活動を慎重に調節し、ゲノムの不安定性や有害な突然変異などの問題によって引き起こされる大混乱を防ぐために極端な手段を講じています。これらの危険性から、アデルソン氏は、融合遺伝子が秩序だった遺伝子調節を危険にさらすことがあるのだろうかと疑問に思いました。 「あなたは1つのことを混乱させているだけでなく、このカスケード全体を混乱させています」と彼は言いました. 「三頭バットを持っていないのに、これらすべての表現を変えることができるのはどうしてですか？」しかし、Cosby は、有害な形態形成の変化をもたらす融合遺伝子が集団を通じて容易に伝播する可能性は低いと考えています.
パデュー大学の植物遺伝学者で、転移因子を研究しており、この研究には関与していない Damon Lisch は、この研究が、トランスポゾンは「ジャンク DNA」であるという広く行き渡っているが誤った考えに反論することを望んでいると述べた。トランスポーザブル要素は膨大な量の多様性を生み出し、胎盤と適応免疫システムの進化に関与している、と彼は説明した. 「これらはがらくたではありません。彼らはあなたのゲノムの中で生きている小さな生き物であり、長期間にわたって非常に活発な選択を受けています。それは、彼らが新しい機能を進化させてあなたのゲノムにとどまることを意味します」と彼は言いました.
この研究はトランスポザーゼ融合遺伝子の根底にあるメカニズムに焦点を当てていますが、新しい遺伝物質の大部分は、遺伝子が誤ってコピーされ、余分なものが突然変異によって分岐する遺伝子重複によって形成されると考えられています.しかし、大量の遺伝物質は新しいタンパク質機能が重要であることを意味しない、と Cosby は述べた.彼は融合タンパク質の機能を調査し続けている.
イェール大学の分子遺伝学者で、今回の研究には関与していないデービッド・シャッツ氏は、「進化論は究極のいじくり屋であり、究極の日和見主義者でもあります」と述べています。 「進化にツールを与えた場合、すぐには使用されないかもしれませんが、遅かれ早かれそれを利用するようになります。」
