地球上のすべての生命は、20 種類のアミノ酸を特定する 3 文字の単語のレパートリーを表す 4 文字の遺伝的アルファベットという同じ基盤に基づいています。これらの基本的なビルディング ブロック (DNA の構成要素とその分子解釈) は、生物学の核心にあります。製薬会社サノフィの合成生物学者であるフロイド ロメスバーグ氏は、「これ以上根本的なことを想像するのは難しいです。」と述べています。
しかし、生命の基礎となる生化学は驚きに満ちています。数十年前、研究者たちは、DNA の 4 つの塩基のうちの 1 つを新しい 5 番目の塩基に交換したウイルスを発見しました。さて、Science に掲載された 3 つの論文で 4 月には、3 つのチームが、この代替を可能にする他の数十のウイルスと、それを可能にするメカニズムを特定しました。この発見は、この種の根本的なゲノム変化が、生物学において誰もが想像していたよりもはるかに広範で重要である可能性があるという考えさせられる可能性を提起します.
メリーランド大学ボルチモア郡の生物学者スティーブン・フリーランドは、次のように述べています。
「これは遺伝的アルファベットの適応性を物語っています」と Romesberg 氏は述べています。
研究者たちは、進化が DNA の 4 つの塩基、すなわちアデニン (A)、チミン (T)、シトシン (C)、およびグアニン (G) で異なる方向に進んだ可能性に長い間興味をそそられてきました。おそらく、それらは 4 つ以上あった可能性があります。または、それらが非常に異なる化学的性質または結合特性を持っていた可能性があります。または、情報を表すために異なる一連の規則を使用していた可能性があります。ロメスバーグのような合成生物学者は、人工の塩基対と追加のアミノ酸を操作して新しいタンパク質を生成することにより、これを調査しました.それでも、生物の生存はその遺伝的アルファベットとコードを無傷に保つことにかかっているため、DNA レシピの正確な成分は、何十億年もの間、進化によって大部分が閉じ込められてきたと考えられています。クリック。
しかし、いくつかの例外が発生しました。たとえば、1977 年、ソ連の研究者は、光合成細菌に感染するウイルスを調べているときに、何か奇妙なことを発見しました。ゲノムのすべての A は、後に Z と呼ばれる別の塩基である 2-アミノアデニンに置き換えられていました。通常、 C は G とペアになり、T は A とペアになって二本鎖 DNA を形成します。しかし、このウイルスでは、A が見つからず、T が Z とペアになっていました (遺伝子転写中、T-Z は依然として T-A として扱われていました)。
Z ベースは A の化学修飾のように見えます。それは余分な添付ファイルを持つアデニン ヌクレオチドです。しかし、そのわずかな変化により、Z は T と三重水素結合を形成することができます。これは、A-T を結合している二重結合よりも安定しています。
この発見は興味深いものでしたが、孤立したケースのように思えました。フランスのエヴリー大学の遺伝学者で、Z ゲノムに関する新しい研究のリーダーの 1 人である Philippe Marlière は、次のように述べています。 「そして、それは多かれ少なかれ忘却に落ち着きました。」
しかし、変化は「化学組織の最も深いレベル」にあったため、「私の本能は、これは単なる逸話ではないことを教えてくれました.これは重大な違反です。」
2000 年代初頭、Marlière と彼の同僚は、ロシアのチームが研究したバクテリオファージのゲノム配列を解読し、Z 塩基の生成に関連する遺伝子配列を特定しました。次の 15 年間、彼らは他のウイルスゲノムのデータベースで一致するものを検索しました。イリノイ州と中国の研究者が率いる別のグループが、独立してこの取り組みに参加しました。
科学者たちは現在、200 以上のファージで Z 置換を発見したと報告しています。ウイルスゲノムをさらに分析することで、研究グループは、Z を作るための重要な酵素と、自由に浮遊する A ヌクレオチドを分解し、Z が DNA 合成中に取り込まれる可能性を高める酵素を発見することができました。
しかし、最大の驚きは、ウイルスが DNA 複製中に Z 塩基を T 塩基とペアリングすることに特化したポリメラーゼ酵素を持っていたことです。 「まるでおとぎ話のようでした」と、そのようなポリメラーゼを見つけたいと思っていた Marlière は言いました。 「私たちの途方もない夢が叶いました。」
これは、科学者がヌクレオチド置換を行うバクテリオファージの他の例を発見した一方で、これが「標準ヌクレオチドを選択的に排除することが実際に示されている最初のポリメラーゼである」ためであると、非標準塩基の生合成を研究するニューイングランド・バイオラボの研究者であるピーター・ワイゲレは述べた.このシステムは「再プログラミング」を可能にするように進化したとロメスバーグ氏は述べています。これにより、ポリメラーゼがどのように機能し、どのように操作するかについて新しい洞察が得られる可能性があります.
Z およびその他の修飾された DNA 塩基は、細菌が外来の遺伝物質を分解する防御をウイルスが回避するのを助けるために進化したようです。ロメスバーグ氏によると、バクテリオファージとその宿主細胞との間の永遠の軍拡競争は、おそらく DNA のように一見「神聖なもの」に影響を与えるのに十分な選択圧力を提供します。 「現在、誰もが改変は単に DNA を保護しているだけだと考えています」と彼は言いました。 「人々はそれをほとんど矮小化します。」
しかし、さらに何かが働いている可能性があります。たとえば、Z の三重結合は、DNA の安定性と剛性を高め、おそらく他の物理的特性のいくつかに影響を与える可能性があります。これらの変更は、細菌の防御から隠れることを超えた利点をもたらす可能性があり、そのような変更をより広く重要なものにする可能性があります.
結局のところ、このように自分の DNA を操作したウイルスの数は誰にもわかりません。 「自然界の生物学的多様性を探すための標準的な[ゲノム配列決定]方法では、これらを見つけることができないでしょう」と、フロリダの応用分子進化財団の化学者で、いくつかの人工塩基対を合成したスティーブン・ベナーは言いました。存在しない一般的な生化学を想定した方法です。」
このような見過ごされている置換は、ウイルス以外にも現れる可能性があります。 「もしかしたら、バクテリアの世界ではこれを見逃していたのではないでしょうか?」シカゴ大学の化学生物学者である Chuan He は言いました。
合成生物学は、これが可能であることを（再び）示しました。何年もの間、Marlière のチームは進化してきました。大腸菌 T ヌクレオチドの代わりに修飾塩基を使用します。イリノイ大学アーバナ シャンペーン校の化学者であり、最近の Z ゲノム研究のリーダーである Huimin Zhao は、E を取得しようとしています。大腸菌 ウイルスが行うように、他の細胞が Z を組み込む可能性もあります。
Romesberg は、これらの発見は、エピジェネティックであると考えられていた細菌 DNA の修飾、つまり DNA が合成された後にヌクレオチドに加えられた変化であり、通常は遺伝子発現に影響を与えるものであるという疑問を提起する可能性があると考えています。 Z 置換は、「後成的であると考えられていたことがそうではない可能性があることを示しています」と彼は言いました。
「人々は、理解されていると考えられていた岩の下を見る必要があると思います」と彼は付け加えました. 「そこから驚きが生まれます。」
しかし、あまり研究されていない場所でも驚くべきことが起こる可能性は十分にあると、コロラド大学ボルダー校の科学哲学者であるキャロル・クレランドは言う。 「私たちが認識できないものは他にありますか?」
たとえば、Marlière は、科学者が 1 つのゲノムで複数の種類の塩基修飾に遭遇する日が来るのではないかと考えています。あるいは、DNA の分子骨格に変化が見られるかもしれません。その場合、「それはもはや DNA ではありません」と彼は言いました。 「それは別のものになるでしょう。」
フリーランド氏は、「分子生物学の構成要素を当然のこととして理解するのをやめる必要がある」と述べた。 「純粋に、私たちの計装が改善され、見た目が厳しくなったために、標準的で普遍的だと思っていたものがすべてなくなりつつあります。」
