この生物のゲノムは「DNAゴミの山」であり、増え続けている。

南米ハイギョ（画像提供：ルイジアナ州立大学キャサリン・セガーズ）

人生は常に独自の道を見つけます。たとえその道の 1 つが「ゴミ拾い」であったとしてもです。

8月、アフリカの小さな池で、大きな黒い魚が水から飛び出しました。口を大きく開けて、ふいごのような音を立てながら、空気をたっぷり飲み込んで、再び水中に潜りました。

これは肺魚です。肺魚は他の魚と同じように鰓を持っていますが、非常に原始的な肺も持っています。肺の内面は蜂の巣状の空洞が多数あり、ここで飲み込んだ空気が交換され、乾季を乗り切ることができるようになっています。

私たちの印象では、肺は陸生動物に特有の構造であるように思われます。 1980 年代以前には、肺魚が人間を含むすべての四肢動物の祖先であると信じられていたのも不思議ではありません。しかし、私たちの祖先はかつて肺魚と同じ生息地を共有していたかもしれないが、肺魚は私たちの直接の祖先ではないことが今ではわかっています。

4億2000万年前、2つの魚類のグループは分岐しました。そのうちの1つは長い進化の末に陸に降り立ち、人間を産み出しましたが、もう1つはほとんど変化しませんでした。最も古い肺魚の化石は、4億年前の初期デボン紀の地層で発見されました。しかし、4億年後の今日、生きているオーストラリア肺魚（Neoceratodus forsteri）は、化石と全く同じ姿をしています。現在、「生きた化石」として知られるこれらの生物は、オーストラリアに1種、南米に1種、アフリカに4種、合わせて6種しか残っていない。

イラスト: ブライアン・チュー

巨大なゲノム

体の形がほとんど変わっていないという事実は、肺魚が長い進化の過程で何も獲得していないことを意味するのではなく、巨大なゲノムを獲得したことを意味する。南米の肺魚（Lepidosiren paradoxa）は、 910億塩基対を超えるDNAを持ち、これは現在までに配列が解析された種の中で最大である。

南米の肺魚のゲノムが解読される前は、オーストラリアの肺魚とアフリカの肺魚（プロトプテルス・アネクテンス）がゲノムの塩基対数が約400億個という記録を保持していた。比較すると、ヒトゲノムはわずか30億塩基対しかありません。南米の肺魚の19本の染色体のうち、18本だけでもヒトゲノム全体よりも大きい。

このような巨大なゲノムは、研究に大きな困難をもたらすことは間違いありません。ゲノム配列を解読するプロセスは、パズルを組み立てるようなものです。これまでのシーケンシング技術では、遺伝子配列の非常に短い部分しか一度に読み取れなかったため、パズルの各ピースのサイズを固定するようなものでした。パズル全体が非常に大きくなると、ピースの数も劇的に増加します。

しかし、近年のロングリードシーケンシング技術の発達により、研究者は一度に数千、数万の塩基を含む配列を読み取ることができるようになり、これらの巨大なゲノムの全体像を見ることができるようになりました。

配列が解読されているかどうかに関わらず、肺魚（Protopterus aethiopicus）は地球上のあらゆる動物の中で最大のゲノムの記録を保持しており、それに次いでニューズ川の泥サンショウウオ（Necturus lewisi）が続いている。（画像出典：Global Science、2022年3月号、「サラマンダー：ゆっくりとした進化の伝説」）

2021年、ドイツのコンスタンツ大学の進化生物学者アクセル・マイヤー氏とヴュルツブルク大学の生化学者マンフレート・シャルトル氏が率いる国際研究チームが、オーストラリア肺魚のゲノム配列の大部分を再構築した結果をネイチャー誌に発表した。

最近、この研究チームは再びネイチャー誌に登場し、アフリカ肺魚と南米肺魚の全ゲノム配列を解読した。この研究は、これまでで最大のゲノム配列解析結果をもたらしただけでなく、肺魚のゲノムが「成長」する過程を見ることもできました。

重荷

ゲノムが大きいということは、より有用な情報が増えることを意味するわけではありません。人間の遺伝情報を記録する 30 億の塩基対のうち、従来の意味での遺伝子、つまりタンパク質をコードする DNA セグメントは約 20,000 個しかありません。残りはかつては意味のない「ジャンク DNA」と考えられていました。

比較すると、南米の肺魚のゲノムは人間の30倍以上の大きさだが、実際にタンパク質をコードする配列は約2万個しか含まれていない。これは、彼らのゲノムにさらに多くの「ジャンク」があることを意味します。実際、研究者たちは南米の肺魚の遺伝子の90パーセント以上が反復配列であることに気づいた。

この 90% の「ジャンク」には別名があります。トランスポゾン、またはジャンピング遺伝子です。これは遺伝子内を飛び回ることができる DNA 断片です。問題は、それらのほとんどが、遺伝子に「飛び込む」ことに加えて、自分自身を大量に「コピー」し、それをゲノムに個別に挿入することもできるという点です。これらの「新しい」断片は依然として自己複製を続けることができ、ウイルスのように遺伝子内で大量に「増殖」します。このようにして、トランスポゾンは肺魚の遺伝子内で増殖し続け、遺伝子を非常に大きなサイズに拡大します。

この特性により、トランスポゾンはかつて「利己的な遺伝子」または「遺伝的寄生虫」と呼ばれていました。明らかに、トランスポゾンが大規模に活性化したり、重要な遺伝子に挿入されたりすると、「宿主」に深刻な影響を及ぼします。したがって、ほとんどの場合、生物は完全な防御機構も進化させていることがわかります。たとえば、KRAB タイプのジンクフィンガータンパク質は特定の DNA 配列を認識してトランスポゾンに結合し、エピジェネティックレベルでトランスポゾンをサイレンシングすることができます。生殖細胞では、piRNA はトランスポゾンを標的とし、トランスポゾンの侵入に抵抗するために二本鎖 RNA を形成します。

しかし、肺魚にはこの特徴が欠けているようです。研究者らは、人間や他の肺魚類と比較して、南米肺魚類のゲノムにはpiRNAとKRAB型ジンクフィンガータンパク質に関連する遺伝子が著しく少ないことを発見した（人間や他の肺魚類には約300のコピーがあるのに対し、南米肺魚類にはわずか23のコピーしかない）。おそらく、南米の肺魚がこれほど巨大なゲノムを持つのは、まさにトランスポゾンを封じ込める能力を失ったためだろう。

最終結果として、南米の肺魚のゲノムは、既知のあらゆる種の中で最も速い速度で拡大していることがわかります。平均して、 1,000万年ごとに、南米の肺魚のゲノムはヒトゲノムのサイズまで成長し、この成長率を少なくとも1億年維持してきました。「そしてそれは成長し続けています」とマイヤー氏は語った。「南米の肺魚のゲノムでは、トランスポゾンが現在でも活発に機能しているという証拠がある。」

拡大のコスト

すると、巨大なゲノムは生存にどのようなコストをもたらすのかという疑問が生じます。このコストは、同じく大きなゲノムを持つ別の生物、サンショウウオでも明確に見ることができます。

さまざまなサンショウウオの種のゲノムサイズは、「わずか」100億塩基対から、トランスポゾンも詰まった1200億塩基対まで、大きく異なります。ゲノムのこうした「負担」により、多くのサンショウウオが「巨大な赤ちゃん」に成長している。ニューズ川の泥サンショウウオのように、これらのサンショウウオは、鰓が柔らかく、手足が弱く、脳が極めて単純で、生涯で変態過程を完了することができない。

2018年、ある研究がその答えの可能性を示しました。研究者らは、合計320億塩基対を含むメキシコアホロートル（Ambystoma mexicanum）のゲノムを再構築した。彼らは、トランスポゾンが単に遺伝子間に散在しているのではなく、遺伝子内のイントロン領域にも多数存在していることを発見した。遺伝子が発現すると、イントロンを含む DNA 全体が RNA 鎖に転写されます。次に、残りの配列がタンパク質を生成するためのテンプレートとして機能できるように、イントロンを切り取る必要があります。

メキシコアホロートル（写真提供：pixabay）

メキシコアホロートルはトランスポゾンが非常に多く含まれているため、イントロン配列はヒト遺伝子のイントロンの最大13倍の長さになることもあり、RNAの生成に時間がかかり、細胞分化を導く指示が効力を発揮するのにも時間がかかるため、体のどの部分も実際に成長することが困難になります。

肺魚は同様の苦境に陥っていないようだ。 2021年、Cell誌に発表された研究で、西北工業大学、華南農業大学、中国科学院武漢水生生物学研究所、中国農業科学院深圳農業ゲノム研究所、BGIなどの機関が共同で、アフリカ肺魚の完全かつ高品質な超大規模ゲノムを初めて解析した。結果は、アフリカ肺魚のイントロンも非常に長く、ゲノム全体で約16Gbのイントロンがあることを示しました。

アフリカ肺魚の最長遺伝子は 18 Mb で、メキシコのアホロートル (6.7 Mb) やヒト (2.5 Mb) の遺伝子よりもはるかに長い。研究者らはトランスクリプトームデータを調べた結果、遺伝子発現レベルと遺伝子の長さの間に明確な相関関係はないことを発見した。 1 Mb より長い遺伝子でも、他の短い遺伝子と同様の発現レベルを示しました。言い換えれば、遺伝子の長さの変化はアフリカ肺魚の遺伝子発現にほとんど影響を与えないようです。「これらの結果は、肺魚では遺伝子発現のバランスを維持するために、超長遺伝子の転写効率が高められる可能性があることを示唆している」と論文には記されている。

ログインのすべてのステップ

ハイギョのゲノムの変化を詳しく見ると、四肢動物の祖先が水中から陸上へと移行する中間段階で経た進化の過程も見えてきます。このプロセスには、肺での呼吸、サポート機能を備えた手足、乾燥に対処できる皮膚、まったく異なる運動姿勢など、生活における一連の革新が必要です...

肺魚は原始的な肺を持っているだけでなく、肺胞の大きさの相対的な安定性を維持できる複合リポタンパク質である肺サーファクタントタンパク質Bをコードする遺伝子も大幅に増加しています。肺魚の関連遺伝子の数は、硬骨魚類や軟骨魚類の 2 ～ 3 倍であり、これは四肢動物の典型的な数と一致しています。同時に、肺魚では嗅覚に関わる遺伝子も拡大しており、これは空気中での生活に適応する前の段階である。

もう一つの重要な変化は手足に起こります。ハイギョとラティメリアはどちらも肉鰭類の魚で、鰭にはすでに原始的な骨があり、ある程度の支えとなっている。ゲノム配列によって、この物語も完結した。研究者らは肺魚のゲノムの中に四肢動物の四肢の発達に関連する遺伝子を発見したが、これは他の魚ではこれまで見られなかったパターンだ。これは、「初期の肉鰭類魚類はすでに四肢のような遺伝子発現を起こし、その後の四足歩行への適応に備えていた」ことを示唆している。

しかし、現生の肺魚類の中で、祖先のような肉厚なひれを持つのはオーストラリア肺魚類だけである。過去1億年の間に、アフリカと南アメリカの肺魚の胸鰭と腹鰭は糸状の形に退化しました。 (画像提供: ルイジアナ州立大学のキャサリン・セガーズ)

研究者たちは予想外の発見さえもした。 2021年にCell誌に発表された研究で、研究者らは、抗不安に密接に関連するタンパク質神経ペプチドSとその受容体が、かつて肺魚類と四肢動物の祖先に一緒に現れていたことを指摘した。これと一致して、脳の扁桃体も肺魚類や四肢動物の祖先から比較的成熟した多区画構造を発達させました。研究者らは、肺魚類と四肢動物の祖先は、空気呼吸と陸上生活という根本的に異なる環境の混乱に適応して、不安に対処する能力が優れていた可能性があると推測している。

参考文献

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07830-1#author-information

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03198-8#ref-CR19

[3]https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00090-8

[4]https://www.eurekalert.org/news-releases/1054265

[5]https://www.eurekalert.org/news-releases/907686

[6]http://www.kiz.ac.cn/xwzx/news5/202102/t20210226_5961028.html

[7] グローバルサイエンス、2022年3月、「サンショウウオ：ゆっくりと進化する伝説」

企画・制作

出典: グローバルサイエンス (ID: huanqiukexue)

著者: エルキ

編集者：何童