20年間の遺伝子配列解析を経て、ついにジャンクDNAの用途が判明した

1990 年に国際ヒトゲノム計画が開始され、2003 年までにヒトゲノムの大部分の配列が解読されました。人間の遺伝子は完全な情報連鎖ではなく、遺伝情報をコード化できない多くの配列によって断片化されていることに人々は驚きました。遺伝情報をコード化できなかったこの DNA は当時「ジャンク」と呼ばれていました。なぜ自然は人間の遺伝子にこれほど多くのゴミを入れるのでしょうか?過去 20 年間、科学者の努力により、真実が徐々に明らかになってきています。これらのジャンク DNA には独自の機能があり、その中でも非常に重要なタイプは「イントロン」と呼ばれています。

著者：Yubao （中国科学院遺伝学・発生生物学研究所博士）

イントロンの発見

父に似た息子。母に似て娘も似る。遺伝は私たちの生活のあらゆるところで見られる現象です。科学者たちは長い間、前の世代の特徴を次の世代に伝えることのできる何らかの物質が存在するに違いないと推測してきた。 19世紀半ば、オーストリアの科学者グレゴール・ヨハン・メンデルは、長年にわたる植物交配実験の結果に基づいて、「遺伝因子」と呼ばれる独立した遺伝単位の仮説を立て、生物のすべての形質は遺伝因子を通じて伝達されると信じていました。 1903年、アメリカの生物学者ウォルター・サットンとドイツの生物学者テオドール・ハインリヒ・ボヴェリは、遺伝因子は遺伝物質の運搬体である染色体上に存在すると提唱しました。 1909 年、デンマークの遺伝学者ヴィルヘルム・ヨハンセンは、メンデルが提唱した「遺伝因子」に代わる「遺伝子」という概念を提唱しました。それ以来、「遺伝子」という言葉は遺伝学で使われるようになりました。

ジョンソンは、「遺伝子」の背後には化学物質が存在するはずだと信じていた。遺伝子の構造が理解されれば、遺伝子がどのように遺伝情報をコード化し、遺伝情報がどのように受け継がれるのかを説明するのは簡単だと人々は信じています。 1950 年代以前は、遺伝子の構造は明らかではありませんでした。この問題は、1953年にアメリカの分子生物学者ジェームズ・ワトソンとイギリスの生物学者フランシス・クリックがDNAの二重らせん構造を発見して初めて解決されました。しかし、科学者たちは遺伝子のコード化方法について多くの理論を提唱してきました。たとえば、「1 つの遺伝子に 1 つの酵素 (タンパク質)」という考え方は、1940 年代に流行した理論でした。その後、この理論にはさらに多くの例外があることが発見されました。つまり、多くの遺伝子の機能を実行する実体は RNA である、または複数の遺伝子が 1 つのタンパク質をコードしている、または 1 つの遺伝子が複数のタンパク質をコードしている、という例外です。その結果、「遺伝子」の定義はますます複雑になってきました。

1977年、アメリカの科学者フィリップ・シャープとイギリスの科学者リチャード・ロバーツは、アデノウイルスの遺伝学を研究中に電子顕微鏡を使用して独立してイントロンを発見し[1、2]、「分割遺伝子理論」を提唱し、1993年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。電子顕微鏡技術はイントロンの発見に重要な貢献をしました。その解像度はナノメートルスケールで DNA または RNA 分子を観察できるほどです。しかし、イントロンは他の誰かによって命名されました。 1978 年の短い論文で、アメリカの科学者ウォルター・ギルバートは、mRNA 前駆体の非コード配列を指すために「イントロン」という用語を使用することを提案しました。 mRNA は、遺伝子を DNA 配列からタンパク質配列に「翻訳」するためのテンプレートです。

1980年、ギルバートは遺伝子配列解析技術の発明によりフレデリック・サンガー、ポール・バーグとともにノーベル化学賞を受賞しました。

分割遺伝子理論では、真核生物のゲノム内の遺伝子配列は不連続であり、遺伝子のコード領域間に多数の非コード配列が含まれており、対応するタンパク質のアミノ酸配列が中断されているとされています。イントロンは一般に、タンパク質をコードせず、mRNA 処理中に切り取られる真核生物遺伝子内の DNA 配列を指します。このスプライシング反応は「スプライソソーム」によって完了します。スプライソソームの構造は非常に複雑で、100 を超える「部分」で構成されています。

図1 転写中のイントロンスプライシングの模式図。真核細胞における遺伝子転写中、「スプライソソーム」はイントロンを除去し、エクソン（緑）を結合して成熟した mRNA を形成するように機能します。画像出典：李鴻斌、他

イントロンの機能

真核細胞のタンパク質コード遺伝子と原核生物のタンパク質コード遺伝子の最大の違いは、前者にはイントロンが含まれるのに対し、後者にはイントロンが含まれないことです。通常、イントロンはタンパク質をコードするエクソン配列よりもはるかに長くなります。イントロンの存在により、真核細胞は生殖や遺伝子発現の際に大量の物質とエネルギーを消費することになり、生物の生存にかかる負担が間違いなく増大します。では、遺伝子に埋め込まれたこのような長い非コード断片は何の役に立つのでしょうか?

イントロンが発見されてから 20 年が経ちましたが、その起源と機能についてはほとんど研究されていません。実際、ヒトゲノムのドラフトが完成したばかりの 21 世紀初頭までは、「ヒトゲノムの配列の 95% はジャンク DNA である」という言い伝えがよくありました。当時のこの発言を覚えている読者もいると思います。もちろん、当時ジャンク配列と呼ばれていたものにはイントロンも含まれていました。科学研究者のたゆまぬ努力により、「ジャンクDNA」という用語が徐々に覆され、イントロンの重要な機能が徐々に明らかになってきています。

一連の研究により、イントロンは遺伝子の安定性を維持するのに役立ち、遺伝子の発現と制御にも関与していることが明らかになっています。具体的には、遺伝子内のイントロンとエクソンは選択的スプライシングを通じて異なるエクソンの組み合わせを生成し、それが複数のタンパク質に変換されてプロテオームの複雑さが増します。イントロン内のエンハンサー（配列）などの調節要素は遺伝子の転写効率を調節することができます。また、イントロン内のいくつかの RNA 要素は、転写の早期終了を回避することもできます。

初期の研究では、イントロンは遺伝子転写中に DNA 配列の安定性を維持し、遺伝子が転写中に「R ループ」を形成するのを防ぐことができることがわかっています。いわゆる R ループは、その名前が示すように、「R」字型の構造です。これは、転写された RNA 鎖が開いた二本鎖 DNA 鎖の 1 つと相補的な塩基対を形成して RNA-DNA ハイブリッド鎖を形成する構造を指します。同時に、もう一方の不対 DNA 鎖は自由な状態にあります (図 2 を参照)。イントロンの存在により、R ループの形成が減少し、ゲノム DNA の安定性が維持されます。ただし、R ループはすべて「悪い」わけではありません。その後、細胞内の R ループにも生物学的機能があり、転写の開始と伸長、エピジェネティック制御などの遺伝子発現を制御できることが発見されました。さらに、R ループ障害は DNA 損傷、ゲノム不安定性、高頻度遺伝子組み換えにも関連しています。

図 2. 遺伝子転写中に「R ループ」を形成する 2 つの方法。画像提供：張怡雲他

イントロンには他にも多くの機能があります。数年前、カナダのシャーブルック大学のエレラチームと米国のマサチューセッツ工科大学のバーテルチームが同時に2つの論文**[4, 5]**を発表し、イントロンが栄養不足のストレスに対処し、体が「飢餓に抵抗」できるようにすることを示しました。

エレラ氏のチームは、サッカロミセス・セレビシエの200以上のイントロンを一つずつ破壊し、それが酵母の生存能力に影響を与えるかどうかを調べた。研究者らは、配列解析と対応する表現型解析を通じて、イントロンが酵母の栄養欠乏（飢餓）への適応を調節する機能を持つことを発見した。バーテル氏のチームは、酵母の34個のイントロンがスプライシング後に全長または線状の形で常に細胞内に存在していることを発見した。これらは古典的なTOR代謝経路によって制御され、栄養素が不足しているときに酵母の成長速度を遅くすることができ、それによって酵母の適応性と生存率が向上します。これらのイントロンはストレスに対処する役割を果たしており、それが位置する遺伝子の機能とは無関係です。イントロンは生物の生死に関係しているため、生物進化の過程で保存されることは理解できます。

イントロンは、タイプ I イントロン、タイプ II イントロン、スプライソソームイントロン、および tRNA イントロンの 4 つのカテゴリに分類できます。その中で、一般的な意味でのイントロンはスプライソソームイントロンであり、これはその名前が示すように、独自のスプライソソームを伴うイントロンです。「スプライソソーム」の三次元タンパク質構造が解明されました。 mRNA を生成するスプライシング反応は非常に正確で、エラー率が極めて低いです。塩基の位置が間違っていると、その後の転写プロセスに異常が生じ、タンパク質が生成されないか、間違ったタンパク質が生成されます。

グループ I イントロンは、細菌、バクテリオファージ、原生生物、真菌に存在し、自己スプライシングが可能です。グループ II イントロンは細菌や細胞小器官のゲノムに存在し、自己スプライシングも可能ですが、そのメカニズムはタイプ 1 イントロンとは異なり、スプライソソーム内のイントロンのスプライシングメカニズムに似ています。 tRNA イントロンは真核細胞と古細菌に存在し、スプライシングプロセスにはエンドヌクレアーゼと ATP が必要です。

イントロン生成のメカニズム

真核細胞ではイントロンはどのように現れるのでしょうか?

イントロン生成のメカニズムに関して、最も一般的な説明は「イントロン理論」 [6]であり、これはスプライソソームにおけるイントロンの起源を説明できる。イントロンはゲノム内の「寄生虫」とみなすことができ、「コピー」と「貼り付け」によってゲノム内に多数のイントロンを「生成」します。 2009年、科学者たちはミクロモナスでイントロンを発見し、その後、渦鞭毛藻類、特定の菌類、尾索動物でその痕跡を発見した。

科学者による多くの研究により、この「コピー」と「貼り付け」のプロセスはゲノム全体で大規模に繰り返される可能性があることが示されています。つまり、生物進化のプロセス全体を通じて、イントロンはさまざまな真核生物で継続的にイントロンを生成します。例えば、真菌ゲノムのイントロンのほとんどは、過去10万年の間にイントロンによって導入されました[7]**。

図 3. Introner はどのようにしてイントロンを「作成」するのか?イントロナーはイントロン配列をゲノムに挿入し、それによって元の DNA 配列を「分割」して新しいエクソンを生成します。画像提供: メリル・シャーマン

研究では、Polarella glacialis や Micromonas などの一部の種では、イントロンによって生成される配列が DNA トランスポゾンと非常に類似していることがわかった。 DNA トランスポゾンは、転移因子または「ジャンピング遺伝子」とも呼ばれる、自身の配列の大きなコピーを作成してゲノムに挿入できる、より大きな遺伝要素ファミリーを表します。イントロンとトランスポゾンのこの類似性は、一部のイントロンがトランスポゾンに由来する可能性があることを示唆しています。イントロン機構によって生成されるイントロンは、強いランダム性を伴って短期間にゲノム内に大量に出現することが多く、これが真核生物のゲノム内のイントロンの分布が均一でない理由を説明できます。

しかし、イントロンは今のところ一部の種でしか発見されていません。たとえば、イントロンの出現は水生生物でより一般的であるように思われ、水生ゲノムでは陸生ゲノムよりもイントロンが出現する可能性が 6 倍以上高くなります。さらに、イントロンを含む水生生物種の約 4 分の 3 は、類似した配列の複数のイントロンを含むゲノムを持っています。この配列類似性の現象は、実際には水平遺伝子伝達、つまりある種から別の種への遺伝子配列の伝達です。この形式の遺伝子転移は、水生環境や、宿主と寄生虫の間など種の共生の状況でよく発生します。

水環境では、さまざまな遺伝物質が水性媒体内で自由に移動できるため、水平遺伝子伝達が促進されます。単細胞生物は水中の外来 DNA を容易に吸収または融合することができます。より複雑な多細胞生物は水中で卵を産んだり受精したりするため、外来の DNA や RNA と接触する機会もあります。研究により、約300種の硬骨魚類のゲノムにおいて、約1,000件の遺伝子水平伝播またはイントロン挿入が起こっていることが判明しています[8]**。対照的に、陸生生物間の水平遺伝子伝達ははるかに少ない頻度で起こります。

生物進化におけるイントロンの重要性

どちらも真核生物ですが、哺乳類は酵母よりも多くの長いイントロンを持っています。たとえば、ヒトのイントロン配列の長さはゲノムの約 25% を占め、各遺伝子には平均約 9 個のイントロンがあり、遺伝子が複雑で多様な機能を実現するのに役立っています。ヒトのプレ mRNA のイントロンの長さは 50 塩基から数百万塩基まで大きく異なります。

イントロンの分布は種間および種内でも不均一です。同じ種の異なる個体における同じ遺伝子にはイントロンが存在する場合と存在しない場合がある。異なる種の同じ遺伝子内のイントロンの長さ、数、位置は異なります。たとえば、2 つの相同遺伝子 Sccoxl.2b と Ancoxl.3 のイントロンは 70% の配列が同一ですが、イントロンに隣接するエクソンの順序は大きく異なります。これは、異なる種間でのイントロンの移動の結果である可能性があります。

イントロンの存在は、対応するメカニズムによって保証される必要があります。真核細胞には核膜があり、これが遺伝子転写と翻訳のプロセスを空間的に分離する基礎となり、細胞内の多数のミトコンドリアがエネルギーを供給できるため、イントロンの存在には物質的な基礎がある。一方、原核生物は核膜構造を持たず、転写と翻訳は同期しているため、DNA配列の安定性を維持するためにイントロンを必要としません。

科学者たちは、イントロンが遺伝子ファミリーや種の進化を促進すると考えています。ゲノムはエクソンとイントロンを組み合わせて選択的スプライシングのメカニズムを通じて新しい突然変異を作成し、新しい制御パターンまたは機能モジュール（酵素、タンパク質、経路など）を生成します。たとえば、毒素を生成できる種は、さまざまな獲物に適応したり天敵に対抗したりするために、遺伝子レベルで急速に再編成して新しい毒（ペプチドの複雑な混合物）を生成する必要があることがよくあります。動物の免疫システムは、生息環境における抗原の変化に対応するために、MHC 遺伝子を素早く再編成し、新しい抗体または抗原提示細胞を継続的に生成する必要があります。このような急速な進化のメカニズムは自然界では一般的であり、イントロンはこれらのメカニズムに関与していることが多いです。

参考文献

[1] Berget SMらアデノウイルス 2 後期 mRNA の 5' 末端のスプライスされたセグメント。 NASAより。 1977年、74（8）：3171–3175。

[2] Chow LT、et al. 「アデノウイルス 2 メッセンジャー RNA の 5' 末端における驚くべき配列配置」。細胞。 1977年12(1):1–8.

[3] ギルバート・W. なぜ遺伝子は断片化されるのか。自然。 1978年、271（5645）：501。

[4] エレラAS他イントロンは飢餓に対する細胞反応の媒介物です。自然。 2019, 565(7741): 612-617.

[5] バーテルDP.切除された線状イントロンは酵母の成長を制御します。ネイチャー2019、565(7741):606-611

[6] AZ Worden他海洋ピコ真核生物ミクロモナスのゲノムによって明らかになった緑の進化と動的適応。サイエンス、2009、324（5924）、268-272

[7] Ate van der Burgtらイントロン様要素の増殖による真菌における新しいスプライソソームイントロンの誕生。カレントバイオロジー、2012: 22(13)、1260-1265

[8] 張HHら脊椎動物における転移因子の水平伝播と進化。ナショナルコミュニオン2020年11(1):1362.

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

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