交配ゲームをするのは危険です。生物は、間違った選択を右にスワイプすると、将来の世代が悪い遺伝子の生涯に運命づけられる可能性があるという実存的なリスクに対処する必要があります。彼らはまた、より差し迫った負担とリスクに対処しなければなりません。好色な活動をしている動物も、捕食者の格好の標的になります。
ですから、良い時期に回虫 Caenorhabditis elegans が発生するのも不思議ではありません。 プロセスを気にしません。大部分が雌雄同体の種 (多様性のために数匹のオスが放り込まれている) として、C.エレガンス ワームは通常、精子の隠し場所が晩年に枯渇するまで卵子を自家受精させます。そうして初めて、オスを引き付けて生殖ゲームにとどまるフェロモンを生成します。しかし、環境条件がストレスになると、ミミズはより早く性的に魅力的になります.彼らにとって、セックスはヘイル メリー パスに相当します。つまり、彼らの子孫がより遺伝的に多様である場合、一部の子孫は新しいより厳しい条件の下でよりうまくやっていくことができるという絶望的な賭けです.
科学者たちは、このストレス誘発性の変化は純粋につかの間のものだと考えていました。しかし最近、テルアビブ大学の科学者が C.エレガンス 10 世代以上にわたって暖かすぎる環境に置かれていたが、より涼しい環境に移された後も、さらに数世代にわたってワームが性的に魅力的であり続けることを発見した。これは、遺伝が生物の遺伝子の単純な説明に必ずしも還元されないことを強調する観察であり、一部の生物の進化を形成する際に伝統的な自然選択と連携して機能するメカニズムを示している可能性があります.
Developmental Cell の新しい論文として この形質の原因は、ワームの DNA の遺伝的変化ではなく、DNA の使用方法に影響を与えた遺伝的な「エピジェネティックな」変化であったことが示されています。研究者たち — 主任著者でテルアビブ大学の生物学者である Oded Rechavi、筆頭著者の Itai Toker (現在はコロンビア大学のポスドク研究員) とその同僚 — は、世代間で伝達されてフェロモンの生成を知らせる小さな RNA 分子を特定しました。 .実際、この遺伝性の RNA 分子は、線虫がストレスの多い時期に進化する可能性を高めます。
「エピジェネティクスにはこの二重の機能があります。それらは継承システムですが、応答システムでもあります。突然変異を待つのではなく、遺伝子の発現方法を変えることで環境に反応します」と、テルアビブ大学の遺伝学者であり科学哲学者である Eva Jablonka 氏は述べていますが、彼はこの研究には関与していません。
過去 1 世紀にわたる進化の支配的な見方は、集団と種の適合性を改善する有利な新しい形質は DNA 突然変異として発生する必要があるというものでした。しかし、コロラド州立大学の RNA 生物学者である Tai Montgomery にとって、この新しい研究は、短期的なエピジェネティックな遺伝が長期的な進化にも影響を与える可能性について貴重な手がかりを提供してくれます。
「これは、集団内の DNA 配列の変化を介して実際に進化につながる情報のエピジェネティックな継承の可能性を指摘する、興味をそそる研究です」と彼は言いました。
マウステール ドグマの打破
エピジェネティクスの概念が最初に探求されたのは 1880 年代で、ドイツのフライブルクではマウスにとって特に悪い時期でした。
生物学者のアウグスト・ワイズマンは、遺伝性の形質と非遺伝性の形質を分離しようとして、数百匹のマウスの尻尾を切断し、繁殖させて、マウスが新しい尾のない状態を子孫に伝達するかどうかを確認しました. 5世代のマウスとピンク色の尾のかなりのスタックを経た後、Weismannは、尾の切断が尾のない子孫につながることはないと結論付けました.彼は 1888 年のエッセイの本で、これらの「後天的特徴」は精子や卵子に影響を与えないため、遺伝しないと書いています。その後の生物学者にとって、ワイズマン障壁は、環境によって生じた形質が受け継がれないことを意味していました.
この定説に亀裂が生じ始めたのは、1940 年代に英国の生物学者コンラッド ワディントンがショウジョウバエの実験を行ったときです。科学者たちは、ハエの蛹を熱のパルスにさらすと、羽に特徴的な横（または「交差」）静脈がない成虫に成熟することを知っていました.しかし、Waddington が「十字脈のない」ショウジョウバエの子孫に熱処理を繰り返したとき、彼は、温度ショックがなくても最終的には十字脈を失い始めたことに気付きました。ワイズマンのマウスとは異なり、それらは後天的な特性を継承していました.
ワディントンはショウジョウバエの DNA を変更していませんでした。代わりに、彼は「表現型を生み出す遺伝子とその環境との相互作用」という別の何かを変更した.彼はこれをエピジェネティクスと呼びました。これは、遺伝学の上に、または遺伝学を超えて機能するためです。
DNA配列が命の書の言葉である場合、エピジェネティクスは句読点であり、「おばあちゃん、食べましょう！」の違いを示しています。と「おばあちゃんを食べましょう！」細胞のタンパク質翻訳機構にどこで働き、どの程度活動するかを伝えることにより、エピジェネティックなシグナルは、既存の遺伝的シグナルに加えて、またはこれらの遺伝的コマンドの発現として機能することができます.この調節層は、ゲノム (めったに変化しない) と環境 (常に流動的) との間のインターフェースを提供すると、ハーバード大学医学部のエピジェネティストである Eric Greer 氏は説明します。
「エピジェネティクスは、環境と遺伝学の間の境界に存在します」と彼は言いました。
1970 年代になるまで、科学者はエピジェネティクスがどのように機能するかを発見し始めませんでした。実際、彼らは細胞が遺伝子活性を調節するために使用する多数のメカニズムをまだ明らかにしていません。古典的なエピジェネティックな制御 (Waddington が発見した種類) には、DNA に結合した化学タグと、遺伝子がタンパク質に翻訳される速度を変化させるヒストンタンパク質の修飾が含まれます。しかし、分子生物学ツールの成長により、最近では研究者が C のような無脊椎動物の小さな RNA 分子に依存する他のエピジェネティックなメカニズムを特定できるようになりました。エレガンス .
一本鎖核酸のこれらのスニペットには、遺伝子活性を変更する傾向が組み込まれています。これらの RNA 分子の多くは一時的なもので、数分から数時間しか持続しません。他のものはより永続的です。
たとえば、生物学者のアンドリュー・ファイア (現在はスタンフォード大学)、クレイグ・メロ (マサチューセッツ大学チャン医科大学) とその同僚は、1998 年に「干渉 RNA」(RNAi) の小片を注入すると、メッセンジャーの翻訳を防ぐことができることを示しました。 RNA、およびこれらの効果は受精卵で数世代にわたって継承される可能性がある.彼らが遺伝子サイレンシングと名付けたこの現象の発見により、Fire と Mello は 2006 年にノーベル生理学・医学賞を受賞しました。
それ以来、研究者たちは、病原体回避、嗅覚合図への応答、長寿などの RNA ベースのエピジェネティックな遺伝の証拠を無脊椎動物で発見しました。遺伝子サイレンシングが正確にどのように遺伝するかはまだ研究中ですが、どうにかして RNAi 分子か、親から子孫に伝達するための指示のいずれかです.
「小さな RNA 自体が、ある世代から次の世代に実際に情報を伝達する器になり得るという証拠を実際に提供できるようになったのは、ここ数年だけです」スタンフォード。
進化の観点から、エピジェネティックな影響が遺伝することは理にかなっている、と Greer は述べた。世代間のほんの数日で、C.の子孫。エレガンス 親が経験したような環境条件に遭遇する可能性があります。将来の世代が暑さ、飢饉、その他のストレス要因に備えることは、彼らが過酷な状況を乗り切るのに役立つ可能性があります.
しかし、このタイプの RNA ベースのエピジェネティックな遺伝は、生物の長期的な進化の軌跡を変えることができるでしょうか?それとも、形質が DNA に永続的に組み込まれているわけではないので、集団に持続的な影響を与えるには一時的すぎるのでしょうか? 「これは私たちが取り組みたかった未解決の問題でした」と Toker 氏は言います。
Cの交尾習性.エレガンス 調べる方法を提供しました。 C.エレガンス 、困難になると、困難は交尾します。 Rechavi と Toker は、小さな RNA が後天的な魅力の形質を引き起こしているのであれば、人口の遺伝的変異への影響を通じて、その進化的重要性を測定できることに気付きました。結局のところ、遺伝的変異は自然淘汰の原料なのです。
ワームはどのように熱くなったか
摂氏 25 度での滞在は人間にとって理想的な休暇かもしれませんが、摂氏 までの境界線の暑さです。エレガンス .科学者が数世代だけ温度を上げたとしても、たいしたことは起こらなかった.ワームは、自分の精子が不足したときにのみ、男性を引き付けるフェロモンを生成し続けました.しかし、Toker と Rechavi が 10 世代以上にわたって加熱を続けたところ、線虫は自分の精子の貯蔵量が減るずっと前に、人生のかなり早い段階でフェロモンを分泌し始めたことがわかりました。興味深いことに、このパターンは、ミミズが低温 (20 C) の状態に戻された後、3 世代にわたって続きました。
Toker と Rechavi はまず、小さな RNA が遺伝的交配効果の原因であることを確認する必要がありました。これは真実であることが証明されました:研究者が短い干渉 RNA が世代間で伝達されるのを防いだとき、子孫は時期尚早に仲間を引き付けるフェロモンを発現しませんでした.
次に、Toker と Rechavi は、世代を超えたエピジェネティックな変化がワーム個体群の遺伝的多様性に影響を与える可能性があるという彼らの予測を確認しました。彼らは、遺伝的な魅力を持つワームが平均して15％少ない精子を作るにもかかわらず、彼らはより頻繁に交尾することを発見しました.その結果、それらの遺伝子は、多世代交配競争実験と数学的シミュレーションの両方で、集団全体に急速に広がりました。このように、エピジェネティックな効果は、ワームの「進化可能性」を高める準備ができているように見え、ワームが拾った有用な新しい遺伝的形質が集団にすぐに根付く可能性が向上しました.
それにもかかわらず、線虫の世代を超えたエピジェネティックな遺伝についても研究しているプリンストン大学の Coleen Murphy は、観察された効果が現実の世界に関連しているとはまだ確信していません。 Rechavi と Toker は 10 世代 (およそ 1 か月) の間、線虫を 25 ℃ から 27 ℃ の狭い温度範囲に保たなければなりませんでした。早熟交配効果が遺伝性になるのを確認するのに十分な温度ですが、線虫が侵入するきっかけとなる温度ではありません。生殖ではなく、停滞の「ダウアー」状態と呼ばれるもの。
「その重要性をどのように解釈したらよいかわかりません」と彼女は言いました。
Toker 氏は、現実世界の現象をより正確に反映するように実験室の実験を設計することは、この分野にとって大きな問題であり、科学者がまだ解決していない問題であることに同意します。このエピジェネティックな遺伝が実験室で起こり得ることを示すことは、その全体的な重要性を理解するための最初のステップにすぎません.
生物学者が直面し始めているもう 1 つの主要な問題は、脊椎動物で多世代にわたるエピジェネティックな遺伝が起こるかどうかです。科学者たちは、これが哺乳類、さらには人間でさえも起こっているかもしれないという興味をそそる手がかりを見つけましたが、多くの科学者はまだ納得していません.そのような遺伝の証拠はせいぜい状況によるものだと彼らは主張する.彼らはまた、寿命の長い動物の子孫は親と同じ環境条件を経験する可能性が低く、エピジェネティックな遺伝があまり有益ではないことも指摘しています. 2022 年 1 月、マギル大学とシカゴ大学の研究者は、マウスが以前の感染の「記憶」をエピジェネティックに継承できることを示す以前の発見を再現できませんでした。
それでも、最近のDevelopmental Cell この論文はモンゴメリに、数世代にわたるエピジェネティックな遺伝の一見一時的な変化でさえ、ある種の生命体の進化を形作ることができることを確認しています.
生物が遺伝子変異によって変化する環境に適応するとき、それはその新しい生き方にコミットしていると彼は説明した.環境が元に戻ると、生物はもはや存在しない条件に適応します。エピジェネティックな変化は、より緩やかな暫定的な解決策を提供する可能性があります。これは、変化する環境に対処し、より永続的な遺伝子変化が DNA に固定される前に自然淘汰に参加する方法です.
「この世代を超えるエピジェネティックな遺伝により、一時的に環境に適応できるようになる可能性があります」とモンゴメリーは言いました。 「環境をサンプリングするためのこの期間を持つことができます…そして、これが新しい現実であることをどの時点でコミットするかを決定します。」
Wahba にとって、この研究は進化と自然淘汰のますます複雑さを理解するためのもう 1 つのステップです。
「ダーウィンの当初のアイデアよりも少し複雑です」と彼女は言いました。 「遺伝学では説明できない遺伝率の大部分があります。」
編集者注:Coleen Murphy は、Simons Foundation が後援する、Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain の調査員です。Simons Foundation は、この編集的に独立した雑誌にも資金を提供しています。
