染色体は、細胞分裂の有糸分裂バレエで主役となる DNA の束であり、複雑な生命において主要な役割を果たしています。しかし、染色体がどのようにして存在し、進化するようになったのかという問題は、落胆するほど答えにくかった。これは、一部には染色体レベルのゲノム情報が欠如していることと、一部には長年の進化の変化がその古代史に関する手がかりを洗い流してしまったという疑いによるものです.
さて、本日 Science Advances に掲載された論文で 、カリフォルニア大学バークレー校の生物科学教授であるダニエル・ロクサーが率いる国際研究チームは、8億年も前に発生した染色体の変化を追跡しました。彼らは、多細胞動物の生命の最も初期の3つの細分化に移行したときに認識可能な29の大きな遺伝子ブロックを特定しました。これらのブロックをマーカーとして使用して、科学者は動物の初期グループが異なるようになるにつれて、染色体がどのように融合および再結合したかを推測しました.
研究者はこのアプローチを「ゲノムテクトニクス」と呼んでいます。地質学者がプレート テクトニクスの理解を利用して大陸の出現と移動を理解するのと同じように、これらの生物学者は、さまざまなゲノムの重複、融合、および転座によって、今日見られる染色体がどのように作成されたかを再構築しています。
この研究は、比較ゲノミクスの新時代の到来を告げるものです。以前は、研究者は異なる系統の遺伝子のコレクションを研究し、一度に 1 塩基対ずつ変化を説明していました。現在、より多くの染色体レベルのアセンブリが利用可能になるにつれて、研究者は染色体全体の進化をその起源までさかのぼることができます。次に、その情報を使用して統計的予測を行い、生物のグループがどのように関連しているかについて仮説を厳密にテストできます。
2 年前、Rokhsar と彼の同僚は、同様の革新的な方法を使用して、有顎脊椎動物の出現に伴うゲノム重複のタイミングに関する長年の謎を解決しました。しかし、このアプローチの重要性は、純粋に遡及的なものではありません。これらの発見を行う過程で、研究者は、染色体が自分自身のチャンクを交換するときに何が起こるかを支配する代数的に単純なルールについて学んでいます。その情報は、将来のゲノム研究の指針となり、生物学者がまだ配列決定されていない種のゲノムに何が見つかるかを予測するのに役立ちます。
カンザス大学の生態学および進化生物学の教授であるポーリン・カートライトは、次のように述べています。現在、科学者は最初の動物の染色体に何があったかについて結論を出すことができると彼女は言いました。また、動物が多様化するにつれて、染色体のさまざまな内容がどのように変化したか、または同じままであったか、およびその理由を調べることもできます。 「これらの高品質のゲノムが得られるまで、これは本当にできませんでした。」
古代ゲノムが共有するもの
本日発表された研究では、Rokhsar と共同研究者の大規模な国際チームは、ヒドラのゲノムの高品質な染色体レベルのアセンブリを初めて作成しました。それを他の利用可能な動物ゲノムと比較することによって、彼らはリンクされた遺伝子の高度に保存されたグループを発見しました。ブロック内の遺伝子の順序はしばしばシャッフルされましたが、ブロック自体は進化の長い期間にわたって安定していました.
科学者が約 20 年前に動物ゲノムの配列決定を開始したとき、多くの科学者にとって、染色体上で連結された遺伝子のグループが何年にもわたって安定して認識可能であり続けることができるということは当然の結論ではありませんでした。本質的にすべての動物系統にわたる遺伝子の。
動物は 6 億年から 7 億年前に単細胞の近縁種から分岐しました。
「この全染色体データが得られる前は、染色体の小さな断片を調べていたので、多くの再編成が見られました」と Cartwright 氏は言います。 「したがって、染色体の領域内の遺伝子自体が非常に頻繁に位置を変えているため、保存はないと仮定していました。」
それでも、遺伝子の順序は染色体に沿って頻繁に再シャッフルされていましたが、Rokhsar は以前の動物ゲノムの研究から、遺伝子が一緒に現れる相対的な安定性があることを直感しました。 「イソギンチャクや海綿を人間と比較した場合、遺伝子が同じ DNA 断片上にあるという事実は保存されているように見えました」と Rokhsar 氏は説明しました。 「そしてこのパターンは、染色体全体も保存されていることを示唆していました。」しかし、その考えは、多様な動物グループに関する十分な染色体スケールのゲノム情報が利用可能になった最近までテストできませんでした.
ゲノム慣性
しかし、遺伝子のブロックが互いに結合したままになる原因は何でしょうか?シンテニーと呼ばれるこの現象の説明の 1 つは、遺伝子機能に関連していると、哺乳類ゲノムの進化を研究しているカリフォルニア大学デービス校の進化と生態学の教授であるハリス・ルーウィンは述べています。一緒に働く遺伝子が物理的に一緒に配置される方が効率的かもしれません。そうすれば、細胞が遺伝子を転写する必要があるときに、異なる染色体上の複数の場所からの転写を調整する必要がなくなります。
これはおそらく、配置が重要ないくつかの遺伝子セットの保存を説明しています:Hox たとえば、動物のボディプランを確立する遺伝子は、体のパターンを正しく設定するために特定の順序になっている必要があります。しかし、これらの密接に関連した遺伝子は、比較的短い DNA の一部に収まります。 Rokhsar は、彼らの発見を説明できる染色体全体に及ぶ機能的相関を知らないと言っています.
そのため、Rokhsar は機能的な説明に懐疑的です。それは魅力的ですが（「ある意味でそれは最もクールな結果になるでしょう」と彼は言いました）、染色体再編成が大きな機能的利点をもたらさない限り、再編成が本質的に広がるのは難しいため、不必要かもしれません.通常、再編成は有利ではありません。減数分裂と配偶子の形成中に、すべての染色体が対応するパートナーとペアになる必要があります。パートナーがいなければ、奇数サイズの染色体は生存可能な配偶子の一部にならないため、次世代に受け継がれる可能性は低い.染色体内の遺伝子の順序を再シャッフルする小さな突然変異は、依然として発生する可能性があります (「マイナーな再編成に関しては、おそらくエラーの余地が少しあるため、お互いを認識できます」と Cartwright 氏は述べています)。しかし、壊れたり融合した染色体は行き止まりになりがちです。
おそらく、個体数が少ない哺乳類のようなグループでは、遺伝的浮動として知られる現象によって、再編成がランダムに広がる可能性があると Rokhsar は示唆している。しかし、数百または数千の卵を産む海生無脊椎動物のように、自由に混ざり合う大規模な個体群では、「新しい再編成の1つが定着するのは非常に困難です」と彼は言いました。 「彼らが試されていないわけではありません。進化の足がかりを得られないだけなのです。」
その結果、遺伝子は 1 つの染色体にとどまる傾向があります。 「彼らが移動するプロセスは、5 億年規模でゆっくりです」と Rokhsar 氏は言います。 「膨大な時間が経過しましたが、まだ移動するには十分ではありません。」
しかし、Rokhsar のチームは、これらのまれな染色体融合が起こると、明確な特徴を残すことを発見しました。融合後、2 つのブロックからの遺伝子が混ざり合い、時間の経過とともにそれらに蓄積された「反転突然変異」のために再配列されました。その結果、2 つのブロックの遺伝子は、お茶に注がれたミルクのように混ざり合い、二度と分離することはありませんでした。 「元に戻すことのできない混合へのエントロピーな衝動があります」と Rokhsar 氏は言います。
また、遺伝子ブロックの融合、混合、複製のプロセスは非常にまれで、不可逆的かつ特異的であるため、追跡可能です。染色体が同じ場所で 2 回切断され、その後融合して別の遺伝子ブロックと同じように混合することはほとんどありません。 .
したがって、染色体内のこれらのイベントのシグネチャは、生物学者が種がどのように関連しているかについての仮説をテストするために使用できる一連の新しい派生特性を表しています。 2 つの系統が 2 つの遺伝子ブロックの混合物を共有している場合、混合は共通の祖先で発生した可能性が最も高い.系統に同じ遺伝子ブロックが 2 セットある場合、それらの共通の祖先でゲノムの重複が発生した可能性があります。これにより、シンテニーは「非常に強力なツール」になると、ウィーン大学のゲノミストで論文の筆頭著者であるオレグ・シマコフ氏は述べています。
進化イベントの指紋
Rokhsar 氏は、Quanta への電子メールで次のように述べています。 .たとえば、彼のチームは、らせん類に分類される多様な無脊椎動物がすべて、4 つの特定の融合と混合のパターンを共有していることを発見しました。これは、融合イベントがそれらの共通の祖先で起こったことを意味します。 「すべてのスパイラル人は、これらの融合と混合のパターンを示すべきです」とRokhsarは書いています. 「これらのパターンを欠くスパイラルリアンが 1 つでも見つかった場合、その仮説は棄却される可能性があります!」
彼は、「進化の歴史について、そのような大々的な発表をすることはめったにありません」と付け加えました。
新しい科学の進歩で 論文、Simakov、Rokhsar、および彼らの同僚は、テクトニクス アプローチを使用して、約 8 億年前の最古の動物グループのいくつかの出現についてさらに学びました。海綿動物、刺胞動物 (ヒドラ、クラゲ、サンゴなど) およびバイラテリアン (左右対称の動物) に代表される動物の広い範囲を調べると、研究者は染色体間で高度に保存されている 29 の遺伝子ブロックを発見しました。
次に、彼らが特定した染色体融合と遺伝子混合の規則を使用して、研究者は、共通の祖先からのこれら 3 つの系統の進化に伴う染色体レベルのイベントを再構築しました。海綿動物、刺胞動物、二国間動物の染色体はすべて、先祖のゲノムからの要素を結合する独特の方法を表していることを彼らは示した.
挑発的な発見の 1 つは、連結された遺伝子ブロックの一部が、多細胞動物の最も近い親戚である鞭毛藻のような特定の単細胞生物のゲノムにも存在するように見えることでした。多細胞動物では、これらのブロックの 1 つに、一般的な体の構造の発達を導くホメオボックス遺伝子の多様なセットが保持されています。これは、多細胞動物の出現における最も初期の出来事の 1 つは、これらの重要な遺伝子の拡大と多様化であったことを示唆しています。 「これらの古代の連結単位は、動物の遺伝子とゲノムの進化を理解するためのフレームワークを提供します」と科学者たちは論文で述べています。
彼らのアプローチは、染色体イベントの微妙だが重要な違いを区別することができます。たとえば、2020 年の論文で、研究者らは、進化が無顎魚と有顎魚を分ける前に、カンブリア紀のある時期に脊椎動物のゲノムが重複したと推測しました。その後、2 匹の有顎魚が後に交配し、ゲノムの 2 回目の複製が行われたという証拠を発見しました。この交配種は、すべての硬骨魚の祖先になりました.
オレゴン大学のゲノミストであるジョン・ポスルスウェイトは、チームの分析方法の重要性を強調しています。 「彼らは統計的なアプローチを取りました。彼らは、『まあ、私にはそのようなことが起こったように見えます』とは言いませんでした」と彼は言いました。 「これは彼らの方法論の非常に重要な部分です。彼らが高品質のゲノムにアクセスできただけでなく、彼らがこの定量的アプローチを採用し、実際にこれらの仮説をテストしたことでもあります。」
これらの研究は、ゲノム テクトニクスと遺伝子シンテニクスが私たちに教えてくれることの始まりに過ぎません。 biorxiv.org で共有されている最近のプレプリントで、Rokhsar のチームはカエルの染色体の進化を再構築し、ヨーロッパのチームは硬骨魚の染色体の進化を調べました。 現在の生物学の研究 は、一般的なウズラで多様な形態の共存を促進する「大規模なゲノム反転」を発見し、染色体の再編成の機能的結果のいくつかを示唆しています.
これらの遺伝子連鎖グループの混合が、過去 5 億年間の系統の多様化と進化の革新に関連している可能性があるという仮説を立てるのは興味をそそられます。染色体の再編成は、血統が 2 つに分裂する可能性のある交配不和合につながる可能性があります。また、遺伝子が新しい地域に上陸したことが、遺伝子制御の革新につながった可能性もあります。 「これが動物の多様化の原動力の 1 つだったのかもしれません」と Simakov 氏は述べています。
「それが大きな問題です」とルーウィンは言いました。 「これはまさにゲノムの地殻変動であり、影響がないわけではありません。」
