むかしむかし、生命、捕食、死という壮大なドラマの主役は、目に見えないほど小さく単純な細胞だけでした。古細菌とバクテリアは、海や池をぐるぐる回って動き回り、数ミクロン幅の要塞を形成し、有機物の膜をむさぼり食いました。その後、それらのいくつかが変化し始め、最終的に最初の真核生物 — 遺伝子を核内に閉じ込めたままにし、その内部を枝分かれするコンパートメントで覆い、ミトコンドリアを使用してエネルギーを生成する最初の生物 — が登場しました。 .私たちと肉眼で見える残りのすべての生命は、その細胞の子孫であり、すべての真核生物の最後の共通の祖先です。
科学者たちは、その変化の間に何が起こったのかについてまだほとんど理解していません.中心的な難問の 1 つは、私たちの真核生物の祖先が、細胞のエネルギーを生成する強力なオルガネラであるミトコンドリアをいつ、どのように獲得したかということです。ミトコンドリアは明らかにかつては独立したバクテリアでしたが、何らかの宿主細胞 (すべての証拠から、古細菌またはその子孫) がミトコンドリアを飲み込み、永久的な共生パートナーに変えました.
しかし、真核細胞が細菌を飲み込む方法は、エネルギー的にコストがかかります。これには、細胞膜の下にあるタンパク質の足場である細胞骨格の広範かつ迅速なリモデリングが含まれます。ミトコンドリアは解糖と発酵の代替代謝プロセスの約 18 倍のエネルギーをグルコース分子から引き出すことができるため、細胞はそれを行うためにミトコンドリアを所有する必要があります。そのため科学者は、ミトコンドリアと食作用として知られる貪食プロセスのどちらが先かを議論しています。
この 2 つの選択肢は、真核生物の起源が大きく異なることを示唆しています。ミトコンドリアは、最初の真核生物の進化の遅れた後から考えたものでしたか?それとも、その驚異的なエネルギー生成力によって、私たちの祖先に変化をもたらしたのでしょうか?
Molecular Biology and Evolution の最近の論文 このニワトリが先か卵が先かというジレンマが 15 億年以上前に起こったときに何が起こったのか、興味深く垣間見ることができます。研究チームは、真核細胞に飲み込まれると消化されず、宿主の資源を頼りに生きる 30 種以上の寄生細菌と共生細菌の DNA 配列を決定しました。科学者たちは、真核細胞内に住む能力は、予想よりも著しく古いように見えたことに気づきました。それは、いくつかの重要な警告とともに、あるバージョンの食作用がミトコンドリアよりも前に存在し、革命が起こるための舞台を整えたことを示唆しています.
スウェーデンのウプサラ大学の進化微生物学者であり、新しい論文の著者であるライオネル・ガイは、数年前にレジオネラ目細菌の配列決定を開始しました。グループは少なかった。 「彼らにはもっと多くのことがあるとわかっていたので、秩序を包括的に把握したかったのです」と彼は言いました。
彼は、細菌とその宿主との間の相互作用に影響を与える遺伝子に特に興味を持っていました。これらの遺伝子は、真核生物の分子システムを標的にして、侵入者を感知する宿主の能力を妨害するタンパク質をコードしています。
ガイと彼の同僚は、レジオネラ症の病原体から、エキゾチックな微生物を探す遠征によって発見された細菌に至るまで、レジオネラ属のメンバーの遺伝子を配列決定しました。当然のことながら、寄生虫が自分の存在を覆い隠し、宿主から栄養素を抽出するために使用するタンパク質は、大幅に異なりました.しかし研究者たちは、ほぼすべてのレジオネラ菌が、IVB 型分泌システムと呼ばれる基本的に同じ分子機構を備えたこれらのタンパク質を展開していることも発見しました。これは、何世代も前に共通の祖先から受け継いだように見えます。
「その後、遅い段階で、同僚から 100 万ドルの質問を受けました」と Guy は回想します。 「あのレジオネラ菌は何歳ですか？」その答えは、宿主細胞の性質を明らかにする可能性があることに彼は気づきました.
細菌群の起源に日付を割り当てることは複雑なプロセスであり、しばしば失敗します。生物学者が化石記録に祖先を持つ生物の家系図を作成すると、それらの化石を保持する岩層がどのくらい前に発生したかを計算できます。バクテリアの場合は違います。科学者は遺伝子から家族関係を推測することはできますが、通常、あるグループが別のグループから分岐したのは何百万年前かを特定することはできません。それでも、科学者はバクテリアの年齢を決定するいくつかの方法を持っています。その主な方法は、バクテリアが唯一知られているソースである岩石の化学マーカーをチェックすることです.
ガイは、これらのマーカーの 1 つである特定の紫色の硫黄細菌が作るオケノンと呼ばれる物質に関する 2008 年の論文を読んでいました。その痕跡は、16 億 4000 万年前のオーストラリアの岩層で発見されました。ガイと彼の同僚は、紅色硫黄細菌とレジオネラ菌の関連性に基づく一連の推論を使用して、暫定的にレジオネラ菌グループの起源を 19 億年前としました。
挑発的な数字です。グループがそれほど古く、真核細胞をハイジャックするための機構を最も古い共通の祖先から受け継いでいる場合、これは、貪食して感染できる真核細胞が存在したことを示唆しています。
しかし、化石や化学的証拠に基づく現在の多くの推定では、ミトコンドリアを持つ細胞が最初に出現するのは約 5 億年後とされています。このタイミングは、ミトコンドリアが真核生物の進化に遅れて追加されたという理論に信憑性を与える、と研究者は示唆しています。
遺伝学を用いて真核生物の初期進化を研究してきたユトレヒト大学の進化生物学者であるベレンド・スネルは、これは厄介な問題に対する巧妙な見方だと述べています。彼と彼の同僚はまた、ミトコンドリアが到着したとき、すでにいくつかの複雑な基礎を持っている宿主細胞に移動したことを示唆しています.レジオネラ菌の分析から、Snel は、Guy と彼の同僚が、共通の祖先が貪食細胞内に住む方法を持っていたので、この順序の細菌が真核生物に住んでいるという「説得力のあるケース」を作成したと考えています。 「そして、それは、同じ問題を見る非常にスマートで独創的な補完的な方法だと思います」と彼は言いました.
しかし、少なくとも 2 つの理由から、ミトコンドリアの起源についての議論が終わったわけではありません。
レジオネラ目の祖先がミトコンドリアの到着前に原始真核生物に感染した可能性があるというガイの結論は、オケノンの年代にかかっています。この種の分子時計の計算はあいまいで、誤差の範囲が広いことで有名です。
したがって、そのようなタイミングは、事実の表明としてではなく、パズルの一部として扱うのが最善であると、バルセロナの生物医学研究所およびバルセロナ スーパーコンピューティング センターの進化生物学者および遺伝学者である Toni Gabaldón は述べています。 「私はいつもこれを一粒の塩で考えています。これは完全なデータではなく、推論であり、非常に難しい推論です。なぜなら、私たちは多くの時間を話しているからです.
ミトコンドリアの細菌の祖先を真核生物の祖先にもたらした可能性がある食作用以外のメカニズムもあります。ハインリッヒ・ハイネ大学デュッセルドルフの微生物学者で、ミトコンドリアの起源について広く書いているウィリアム・マーティンは、ミトコンドリアが食作用の進化に不可欠であり、その逆ではないと断言している. 1998 年の画期的な論文で、マーティンと彼の同僚であるロックフェラー大学のミクロス ミュラーは、水素を消費する古細菌と水素を生成するバクテリアがどのように並んで居心地の良い共生を構築したかを説明しました。時間の経過とともに、古細菌からの突起物が細菌を取り囲み、飲み込んだ可能性があります.
それがミトコンドリアが細胞に侵入したよりもっともらしい方法である場合、食作用はミトコンドリアの到着の前提条件ではないため、レジオネラ目の祖先が真核生物に感染していた可能性があるという証拠は議論に関係ありません. /P>
ミトコンドリアの起源に関する理論にとって苛立たしい課題は、説明すべき詳細がたくさんあり、そのすべてが重要であることだと Snel 氏は述べています。 「問題が大きすぎるため、問題を解決していません」と彼は新しい論文について語った.重大な出来事は、物語を語るのに役立つ中間形態が残っていない、非常に長い暗黒時代に発生しました。この全体像を理解するために利用しなければならない情報は、そのあいまいさから出現した生物のゲノムに散らばっています.
「生命の歴史はゲノムに書かれています。読み方を学ばなければなりません」とマーティンは言いました。
この根本的な変化がどのように起こったかを理解するために、科学者は問題を新しい角度から見なければならないかもしれません。たとえば、真核生物の進化における最初の大きな変化は、それが何であれ、それが他のすべての土台を作ったと一般に考えられている、と Snel は言います。
しかし、私たちの祖先のツールキットに最後に追加されたものは、真核生物を理解する上でさらに重要であることが証明されるかもしれません. 「最終段階がどうであれ、それは他のすべての競争相手の絶滅を引き起こしました。おそらくそれが最も重要だったでしょう」とスネルは言いました。
「科学者は優れたミステリーが好きです」と彼は言いました。 「何が起こったのか知りたいだけです。」
