人間には145個の外来遺伝子がある。なぜ遺伝子は種を超えて伝達できるのでしょうか?

動物のゲノムに他の種の遺伝子が含まれることはありますか?この現象は現在では自然界でよく見られる現象であることが判明しており、人間も 145 個の外来遺伝子を持っています。近年、生物学者はカエルの中にもヘビの遺伝子が存在することを発見しており、異なる種が同じ遺伝子を「共有」し、それがもたらす機能を享受している。これは先祖が残してくれた贈り物なのかもしれません。最近、ある研究チームが「偶然に起こった」遺伝子転移現象を発見した。なぜ 2 つの異なる種が遺伝子を共有できるのでしょうか。また、この遺伝子はどのようにして「移動」したのでしょうか。新たな研究が答えを与えてくれるかもしれない。

著者：顧樹塵（浙江大学生命科学研究所）

いかなる種も孤立してはいない。人類の祖先が古代大陸をさまよっていたとき、彼らは多くの種と出会いました。それらは人類の遺伝子に痕跡を残し、やがて人類の遺伝子の中の幽霊となり、その時代の歴史を静かに物語っています。何年も経って、科学者たちは突然、人間がすでに 145 個の外来遺伝子を持っていることを発見しました。これらの遺伝子の約8％はウイルス由来、約2％は古代人類（ネアンデルタール人やデニソワ人など）由来、一部は細菌、真菌、動物、植物由来です[1]。

水平遺伝子伝達（HGT）とは何ですか？

人間と比較すると、微生物の世界では「相互関係」がより頻繁に起こるようです。地球が人間のような高等生物に占領される前は、微生物が地球の支配者でした。当時の生活環境は厳しいものが多く、火口や温泉などには多くの微生物が生息していたため、生き残ることが最優先でした。したがって、さまざまな微生物は、さまざまな環境に適応して生き残るために、より多くの「有用な」遺伝子を交換することになります。これらの微生物は互いにほとんど関連がないにもかかわらず、その遺伝子の一部は種の壁を越えて、ある微生物から別の微生物のゲノムにうまく転移しています。これは「遺伝子水平伝播」（HGT）という現象であり、遺伝学で注目されている「遺伝子垂直伝播」（遺伝物質が親から子へ受け継がれる）とは逆の概念である[2]。つまり、生殖的に隔離された種の間でも、隣人からこの「小さな遺伝的贈り物」を受け取る機会があるのです。

遺伝子研究が進むにつれ、科学者たちは動物と植物の両方で起こる水平遺伝子伝達の例を数多く発見してきました。たとえば、極地に生息するニシンとワカサギという2種類の魚は、極地の海域で血液や組織が凍結するのを防ぐ不凍タンパク質の同じコードを「共有」しています。 [3]さらに、マダガスカルの熱帯雨林では、地元のカエルのゲノムに「BovB」と呼ばれるヘビ由来と思われる遺伝子があることを生物学者が発見し、驚きました（「マダガスカルの「遺伝子組み換え工場」：なぜカエルはヘビの遺伝子を持っているのか？」を参照） [4]。水平遺伝子伝達の例が次々と発見されるにつれ、科学者たちはこの現象の背後にあるメカニズムにますます困惑している。これらの遺伝子はどのようにして異なる種の間で「移動する」のだろうか？

小さな線虫の大発見

最近、オーストリア科学アカデミー分子生物工学研究所のアレハンドロ・ブルガ研究室の研究者らが、HGT現象を現場で捉えた。彼らは線虫の中で「ジャンプ」したばかりの遺伝子を観察し、遺伝子ジャンプを助けるベクター「マーベリック」を発見した。マーベリックスは無脊椎動物と脊椎動物の両方のさまざまな動物で検出されており、ウイルス遺伝子にのみ見られる多くの特徴を持っています。これらの特性を考慮すると、生物学者はマーベリックスや類似の遺伝要素が生命の進化における水平遺伝子伝達に寄与した可能性があると考えています。この研究成果は、2023年6月30日に「ウイルスのようなトランスポゾンが種の壁を越え、遺伝的不適合性の進化を促進する」というタイトルでサイエンス誌に掲載されました[5]。

科学者たちはこの現象を「まったくの偶然」で発見した。 2021年、研究チームの大学院生であるイスラエル・カンポ・ベスは、線虫C. briggsaeを研究中に、この線虫が別の線虫C. plicataとほぼ同一の遺伝子を持っていることを偶然発見しました。それらの類似性は驚くべきもので、ヌクレオチド類似性はほぼ 97% でした。まるで、ある虫が自らの遺伝子をコピーし、それを別の虫のゲノムに何らかの形で貼り付けたかのようでした。 C. briggsae と C. plicata は生殖的に隔離された 2 つの種であるため、この発見は驚くべきものである。それらのゲノム間の大きな違いは、人間と魚のゲノム間の違いに相当します。しかし、それらはほぼ同一の遺伝子を共有しており、明らかに最近の HGT イベントを示しています。

この発見は、研究室の分子遺伝学者アレハンドロ・ブルガ氏にも衝撃を与えた。この「共有」遺伝子の起源を解明するために、バーガ氏と彼のチームは、これらの「共有」遺伝子の周囲の DNA を調べることにしました。最終的に、彼らは遺伝子の周囲にトランスポゾンの特徴である反復配列を発見した。トランスポゾンは、自己複製し、遺伝子内の異なる場所に自身のコピーを挿入することでゲノム内を移動できる遺伝要素です。さらに、ウイルス遺伝子の残骸も発見された。ウイルスのカプシドタンパク質を発現できる遺伝子、ウイルスの複製を促進できる遺伝子、ウイルスのDNAを宿主ゲノムに組み込むために使用される「接着剤」遺伝子である。この研究結果は、転移された遺伝子が、マーベリックスの一部であると考えられるウイルス様遺伝子群とトランスポゾンに埋め込まれていることを示唆している。

それだけでなく、別の種類の線虫のマーベリックスは、ウイルスを細胞の膜構造と融合させ、ウイルスゲノムを細胞内に導入することができる、融合因子と呼ばれるタンパク質を発現する追加の遺伝子を持っています。フューシンがなければ、ウイルス（特にエンベロープウイルス）は遺伝子を伝達することができません。このタンパク質の存在は、マーベリックスがウイルスのような粒子を生成し、さまざまな種類の細胞に侵入できることを強く示唆しています。

その後、バーガ氏のチームはすぐに線虫遺伝子データベースを検索し、これが水平遺伝子伝達の孤立した事例ではないことをすぐに発見した。彼らは、マーベリックスに埋め込まれた遺伝子の他の多くの例を発見した。 10 属を超える 100 種以上の線虫のゲノムには、マーベリックスによって「積み荷」として頻繁に拾われ、異なる種の間で広く伝達される遺伝子が 2 つあります。完全な遺伝要素と不完全な遺伝要素が、北米からインド、南アフリカの深さ数キロメートルの金鉱に至るまで、世界のさまざまな地域の線虫の個体群に侵入しています。

この間接的な証拠は、マーベリックが線虫種間の水平遺伝子伝達を促進したことを強く示唆していたが、生物学者はその作用をまだ目撃していなかった。したがって、研究の次のステップは、マーベリックスがウイルスのような粒子を生成するプロセスを顕微鏡で観察し、遺伝子の「ジャンプ」のすべてのフレームを観察する方法を見つけることです。

ウイルス様トランスポゾン Maverick は、水平遺伝子伝達 (HGT) ベクターとして機能します。画像出典: IMBA-IMP Graphics

「ジャンプ」からのインスピレーション

この遺伝子の「ジャンピング」メカニズムの発見により、生物進化に関する私たちの理解は大きく変わりました。マーベリックスは、原生生物、菌類、動物（人間を含む）のゲノムに共通する、ジャンピング遺伝子の古代の断片化されたクラスです。当初、これらの巨大な可動要素は、効果のない、時代遅れの遺伝子変異の残骸であると考えられていました。しかし、その後の研究では、マーベリックスは再活性化することができ、特定の在来種間での水平遺伝子伝達を媒介できることが示されています[6]。しかし、これまで多細胞動物における完全な異端者は詳細に研究されたことはありません。今回、線虫は私たちに稀な機会を与えてくれました。線虫は単なる生物学的実験のためのモデル動物ではありません。多くの線虫は作物や家畜に感染する寄生虫です。マーベリックスの仕組みをより深く理解できれば、寄生虫を制御する目的を達成するために、寄生虫に特定の病気を引き起こす遺伝子を導入するために使用できる可能性があります。

さらに、この発見は、マーベリックスが特定の抗ウイルス遺伝子や抗菌遺伝子を運ぶことができることも示しており、これは、新しい薬やワクチンの開発、あるいは遺伝子治療や遺伝子編集などの用途のための遺伝子移入ツールに使用できる可能性を示唆している。

自然界では、マーベリックスやその他の遺伝的要因を通じて水平遺伝子伝達が起こる例が数多くあります。これらの遺伝子の水平伝播は種の遺伝的多様性と適応性に影響を及ぼし、新しい種の形成や種の絶滅につながります。種の多様性を保護し、生物進化の法則を真に理解するためには、遺伝子が種間を移動するのを助けるこれらのベクターについてもさらに詳しく知る必要があります。

参考文献

[1]Crisp A、Boschetti C、Perry M、Tunnacliffe A、Micklem G. 複数の水平獲得遺伝子の発現は、脊椎動物と無脊椎動物のゲノムの両方の特徴です。ゲノムバイオロジー2015年3月13日;16(1):50.

[2]中村勇、伊藤孝文、松田秀、五条堀孝文。原核生物ゲノムにおける水平伝播遺伝子の偏った生物学的機能。ナット・ジュネット。 2004年7月;36(7):760-6.

[3]グラハムLA、デイヴィスPL。脊椎動物における水平遺伝子伝達：怪しい話。トレンド ジュネ。 2021年6月;37(6):501-503.

[4]神林 C、梯 R、佐藤 Y、水野 H、田辺 H、ラコトアリソン A、キュンツェル S、古野 N、大島 K、熊沢 Y、Nagy ZT、森 A、アリソン A、ドネラン SC、太田 H、細 M、柳田 T、佐藤 H、ヴァンセス M、倉林 A. 脊椎動物の捕食者から獲物への地理依存性水平遺伝子伝達。分子生物進化学2022年4月10日;39(4):msac052.

[5]Widen SA、Bes IC、Koreshova A、Pliota P、Krogull D、Burga A。ウイルス様トランスポゾンは種の壁を越え、遺伝的不適合性の進化を促進する。科学。 2023年6月30日;380(6652):eade0705.

[6]Barreat JGN、Katzourakis A.脊椎動物のマーベリックウイルス様可動性遺伝要素の系統ゲノム学。分子生物進化学2021年5月4日;38(5):1731-1743.

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