この高さ15cmの巨大な木は非常に目立たなかったため、科学者たちは今年になって初めてそれに気づきました...

ビッグマックと聞いて、まず何を思い浮かべますか？

一番売れているハンバーガーですか？ 「トランスフォーマー」に登場する超強力なロボット？あるいは、体重180トンのシロナガスクジラや高さ115メートルの北米産セコイアなど、世界最大の生物は？

今日お話しする遺伝子は、一見普通に見えますが、最近、真核生物界における新たなゲノムの「巨人」となりました。 Tmesipteris 属の T. oblanceolata である（読みやすいように以下「Tmesipteris」と表記し、種小名の oblanceolata は「倒披針形の」を意味する）

この称号は、Pteris serrata のゲノムサイズが驚異の 160.45 Gb に達することから、当然のものです。 「最大のシダゲノム」、「最大の植物ゲノム」、「最大のゲノム」という3つの世界記録を同時に破りました。これまで、後者の2つの記録は、ゲノムサイズが148.89 Gbのパリジャポニカが2010年以来保持していた。

「160.45 Gb」とはどういう意味ですか?

これは、ゲノムとは何か、そのサイズ、そしてそれをどのように測定するかから始まります。

新しい「巨大」なT. oblanceolata植物

(画像出典: フェルナンデス他、2024)

最後の「巨大な」日本のパリポリフィラ植物（写真提供：PPBC-Wu Baocheng、Alpsake/Wikimedia Commons）

パート 1 :ゲノムの大きさはどれくらいですか?ポンドやオンスに関係なく

ゲノムには 2 つの意味レベルがあります。種のレベルでは、ゲノムは種のすべての個体において非常に類似しているがわずかに異なる遺伝情報を指します。個体レベルでは、ゲノムとは、DNA や RNA (一部のウイルス) など、特定の生物のすべての細胞に存在する遺伝物質の合計を指します。

生命という壮大な詩の中で、DNA は、アデニン (A)、チミン (T)、シトシン (C)、グアニン (G) という 4 つの基本文字で無限の遺伝コードを織り成す神秘的な織り手です。ドミノ倒しと同じように、各ドミノ倒しが連鎖反応を引き起こします。これらの塩基の配置と組み合わせによって生物の多様性が決まり、それぞれの生物が独自の遺伝子設計図を持つことができます。では、遺伝情報がどれだけあるかをどのように測定するのでしょうか?

一般的に、生物の遺伝情報を測定する方法は 3 つあります。

（１）重量で計算されたC値（通常はピコグラム（10～12グラム、pg）単位）。 （２）分子量（ダルトン単位）で計算される。 （３）ヌクレオチド塩基（ATCGU）対の数として表される。

ゲノムのサイズを測定する最も一般的な方法は、ヌクレオチド塩基対の数で表現することです。コンピュータの記憶容量の単位と同様に、塩基対の「容量」を 1 bp (塩基対) と定義します。塩基対がつながっている場合、1,000 個で 1 Kb、100 万個で 1 Mb、10 億個で 1 Gb になります。しかし、1024 単位で増加するコンピュータの記憶容量とは異なり、ゲノムのサイズは 1000 単位で増加します。では、種のゲノムのサイズはどのようにして決定するのでしょうか?現在、フローサイトメトリー、K-mer 解析、および de novo ゲノム配列解析を通じて推定することができます。これら 3 つの方法はゲノムサイズの評価精度を順次向上させてきましたが、それに応じて技術的な難易度、精度、コストも増加しています。第三世代シーケンシング技術の急速な発展により、ゲノムシーケンシングのコストは大幅に削減されました。現在、1Gbゲノムのディープシーケンシング、アセンブリ、アノテーションを完了するための価格は10万元未満にまで下がっています。

しかし、たとえコストが大幅に下がったとしても、160 Gb の Pteris ゲノムのような大規模なプロジェクトの高額なコストは、依然として少数の裕福なチームしか負担できないものです。さらに、第 3 世代のシーケンシングによってゲノムをアセンブルする前に、フローサイトメトリーまたは K-mer 法を使用してゲノムのサイズを「調査」することが一般的です。

そのため、この研究では、研究者らはまず、より「経済的な」フローサイトメトリー法を使用して、Pteris fasciatus のゲノムサイズを推定しました。フローサイトメトリーの原理は、細胞核懸濁液を調製し、核酸を蛍光染色し、ゲノムサイズが既知の種を参照として使用し、2 つの種間の相対的な蛍光密度 (DNA 含有量) ピークの水平座標に基づいてゲノムサイズを比例して計算することです。

下の図に示すように、ゲノムサイズが 148.89 Gb の Pteris chinensis と Rhizoma Polygoni Orientalis のピーク水平座標の比率は 1.12 (226.60/202.28) であり、Pteris chinensis のゲノムサイズは Rhizoma Polygoni Orientalis の約 1.12 倍であることがわかります。この研究では、アリウム、Fritillaria lusitanica、Paris polyphylla を内部参照として使用し、最終的に Pteris fasciata のゲノムサイズは 160.45 ± 0.81 Gb と推定されました。

Pteris chinensis と Paris polyphylla のフローサイトメトリー結果 (画像提供: Fernández et al., 2024)

Part.2ゲノムは大きいけど体は小さい？

プラムブルックシダは「巨大な」ゲノムを持っているにもかかわらず、その植物は非常に小さく目立たないように見えます。 Psilotaceae は Psilotaceae 科の小さな属で、15 種が含まれ、そのうち 12 種は着生種です。この記事の主人公であるT. oblanceolataは比較的珍しいものです。ニューカレドニアおよび南西太平洋の近隣の島々に生息し、植物の高さは最大15cmになります。

T. tannensis 属は小型であるだけでなく、科学者の目から見るとニッチなグループでもあります。これまでのところ、この属のゲノムサイズが報告されているのは、四倍体の T. tannensis (73.19 Gb) と八倍体の T. obliqua (147.29 Gb) の 2 種のみであり、どちらも巨大なゲノムを持っています。

この研究の責任著者であるジャウメ・ペリセル教授は、着生植物のPteris fasciataの生息地を調査している。

(写真提供: Orane Hidalgo)

キュー・ガーデンの植物学者で、この研究の参加者の一人であるイリア・J・レイチ教授は、P. sylvatica のゲノムがいかに途方もなく大きいかを、鮮やかな比喩を使って説明した。細胞内の折り畳まれて巻かれた DNA が糸のように広がると、長さは 100 メートルを超える可能性がある。比較すると、ヒトゲノムは約 3.1 Gb で、展開後の各細胞内の DNA の長さはわずか約 2 メートルです。文字と漢字のサイズ比に従い、塩基2対を1バイトとして数えると、Pteris creticaのゲノムには『紅楼夢』のコピー11万部（コピー1部あたり731,000語）を書き込むことができ、これは図書館のコレクションに相当します。

では、ゲノムサイズと生物のサイズの間には何らかの相関関係があるのでしょうか?ゲノムが大きいほど種にとって良いのでしょうか?実際、有名な「 C 値パラドックス」はすでに最初の質問に答えています。この理論では、種のゲノムサイズ (C 値) とその進化の複雑さの間には厳密な対応はなく、ゲノムサイズと生物のサイズの間にはさらに関係が少ないと提唱されています。そして、人々が考えるのとは反対に、ゲノムが大きいことは一般的に有利ではありません。

これは、ゲノムが大きくなるほど、より多くの DNA が合成され、より多くのエネルギーと栄養素が必要になるためです。同時に、細胞が分裂するたびにゲノムを複製するためのエネルギー需要も高くなります。植物を例にとると、DNA の量が多い植物は、通常、成長が遅い多年生植物です。光合成効率が低く、成長するためにより多くの栄養素を必要とします。繁殖や子孫の産出が遅くなり、環境への適応も遅くなる可能性があります。

イリア・J・レイチ教授は、これほど膨大な量の遺伝情報を管理しようとするのは、「何百万冊もの本がある図書館で、これほど膨大な量の DNA の中から生き残るための指示をいくつか見つけようとする」のと同じくらい馬鹿げていると考えています。結局のところ、ゲノム内の DNA のうち、タンパク質をコードする遺伝子で構成されているのはごく一部です。

では、梅溪シダはどのようにしてこれほど巨大なゲノムを持ちながら生き延びたのでしょうか?ゲノム内の複雑な遺伝情報をどのように管理するのでしょうか?まず第一に、Pteris serrata の巨大なゲノムがどこから来たのかを解明する必要があります。

** Part.3ゲノムを「クレイジー拡張」したい場合、それを実現する方法は 2 つあります。

植物のゲノムサイズは劇的に異なります。知られている中で最も小さいゲノムを持つ植物は、ウトリクラリア科の食虫植物であるゲンリセア・アウレアで、そのゲノムサイズはわずか 0.0636 Gb です。シダが加わったことで、植物ゲノムサイズの範囲は驚異的な2,500倍（160.45/0.0636）にまで拡大しました。現在の研究では、ゲノムサイズの変化は主に 2 種類の要因によって引き起こされていることが示唆されています。

1. ゲノム倍数化

種が染色体を増やし、同じ細胞核内に複数の染色体セットが共存し、安定した遺伝を持つ新しい種が形成される現象を指します。これは、倍数体が同時に複数のゲノムを注文する「豪華パッケージ」に似ています。例えば、イネ属では、ゲノムがそれぞれ約 400 Mb と 600 Mb である二倍体の斑点野生イネと薬用野生イネが交配され倍数化されて、ゲノムが 1 Gb に達する異質四倍体の小粒野生イネが生み出されました。

2. 繰り返し配列の拡張

ゲノム内に繰り返し出現する DNA 配列は、トランスポゾン (染色体上で自律的に複製および移動できる DNA 配列の一種) などの反復配列と呼ばれます。ほとんどのトランスポゾンは遺伝子をエンコードする能力がないため、かつては「ジャンク配列」と呼ばれていました。

しかし、科学の発展と研究の深化に伴い、科学者は反復配列が大きな植物ゲノムの重要な構成要素であるだけでなく、ゲノム進化の重要な原動力でもあることを発見しました。寄生虫を例に挙げてみましょう。一般的に、寄生花は自身の負荷とエネルギー消費を減らすためにゲノムをできるだけ単純にしますが、寄生花は3.5Gbという大きなゲノムを持ち、その配列の最大90%は高度に反復的なトランスポゾンで構成されています。

ゲノムは非常に「巨大」に見えますが、実際にはほとんどの遺伝子の構造は非常に単純で、遺伝子損失の数が非常に多いため、まさに「ファットプレーヤー」となっています。

P. mellifera のゲノムはまだ解読されておらず、細胞学的データも収集されていないため、シダ植物がこのような不必要に大きなゲノムの影響にどのように対処するかはまだわかっていません。しかし、科学者たちは、プラムブルックシダの「ビッグマック」ゲノムパッケージは、倍数体同一性、または「偽の脂肪」冗長配列のようにカスタマイズされたのではないかと推測しています。選択はしません、すべてを受け入れます!

倍数体のアイデンティティ

被子植物と比較すると、シダ植物の細胞内の染色体の数は通常より多くなります。この現象は「染色体蓄積症候群」とも呼ばれます。 Pteris 属の単一染色体セットにおける染色体塩基数は x = 52 に達します。さらに、既存の証拠によると、Meixi Pteris 属には多くの四倍体と八倍体が存在することが示されており、これはつまり、Meixi Pteris 属がバフだらけであることを意味します。

ハイシーケンス

研究者らは、Pteris 属の複数の種のゲノムが巨大であることは、それらの「着生」特性に関係している可能性があると推測している。おそらく「寄生」特性を持つ寄生花と同様に、そのゲノムには非常に冗長な反復配列も存在します。

さらに、これまでの大規模ゲノム研究の事例に基づいて、大胆に推測することもできます。梅渓シダのゲノムには、環境への適応に重要な役割を果たしている、高度に拡張された遺伝子ファミリーがいくつか存在する可能性があります。メイシーシダのゲノムでは多数の遺伝子喪失が起こった可能性があり、重要な形質を制御する少数の遺伝子のみが保持されている。これらの遺伝子は、メイシーシダの巨大なゲノムをうまく管理するための鍵となる可能性があります。現在の梅渓シダの個体数は非常に少ないですが、ボトルネック効果が発生し、遺伝的多様性が減少し、有害な突然変異が大量に蓄積されたことがありますか？この種は将来、生存の危機に直面するのでしょうか？保護対策を講じる必要があるでしょうか?もちろん、これらすべての疑問に対する答えは、「大物」チームがゲノムを分析し、進化生物学者によって明らかにされるまで待たなければなりません。

パート4他にどんなゲノムの「巨人」がいるのか?

実際に、この記事の主人公以外にも、植物ではシダ、パリスポリフィラ、エンレイソウ、ヤツデなど、動物では各種肺魚やドロサンショウウオなど、ゲノムサイズが 100 Gb を超える生物が自然界には数多く存在します。これらの生物の中には走ったり、跳んだり、漕いだりできるものもあれば、土に根を張って太陽と月のエッセンスを吸収するものもいます。非常に美しいものもあれば、地味な見た目のものもあります。中には「強くて健康な」ものもあれば、弱くて壊れやすいものもあります...しかし、それらはすべて共通の名前を持っています - 「巨大な」ゲノムです!

ゲノムサイズが 100 Gb を超えることが知られている生物 (画像出典: Fernández et al., 2024)

プラムブルックシダのゲノムよりも大きなゲノムを持つ生物が存在する可能性はあるでしょうか?すべては可能です！おそらく、次に渓流の荒野や都市公園で目立たない草の葉に出会ったとき、それは隠れたゲノムの「巨人」であるかもしれません。

参考文献:

[1] Fernández et al.、160 Gbpのフォークシダゲノムが真核生物のサイズ記録を破る。 iScience、2024、109889。

[2] Cai et al.、内部寄生性顕花植物Sapria himalayana Griffにおける大きく変化したゲノム構造。 （ラフレシア科）。カレントバイオロジー、2020年、31：1-10。

[3] 遺伝子の巨人を解き明かす：小さなシダは地球上の生物の中で最大のゲノムを持っている。キューサイエンス、2024年。

[4] Schupak A. 研究によると、知られている最大のゲノムは森林の床に生えるこの平凡な植物の中にある。 CNN、2024年。

[5] Leushkin et al.、食虫植物Genlisea aureaのミニチュアゲノムには、遺伝子数が少なく、非コード配列が短い。 BMCゲノミクス、2013、14：176。

出典：サイエンス研究所