なんと急速な染色体変異でしょう！島のネズミは1000年の間に6つの種に分岐した

進化は止まることなく、スクリーニングはあらゆる場所で行われています。

著者 |ユバオ

図1: マデイラネズミ。画像クレジット: ソフィア・ガブリエル

急速な変異：1000年で6つの新種が誕生

ポルトガルのマデイラ島には、マデイラネズミと呼ばれる似たようなネズミが6種類生息しています。見た目は非常に似ていますが、生殖的に隔離されており、自然条件下では互いに交尾できず、交尾後に生殖可能な子孫を産むこともできません。これは新しい種を分類するための生物学的基準を満たしているため、これら 6 種類のマウスは異なる種に属します。

科学者たちは、これら 6 種類のマウスが過去 1000 年の間に分化したことを発見しました。 1000年前、彼らには共通の祖先がいました。 2000年のネイチャー誌の論文[1]により、マデイラネズミの研究に対する学界の関心が高まり、その後マデイラ島は太平洋のガラパゴス諸島と同様に、生物進化の研究におけるもう一つの聖地となった。周知のように、1835年に遠洋航海に参加したダーウィンは、ガラパゴス諸島でゾウガメやダーウィンフィンチなどの特異な生物を目にして、生物進化論、つまり進化論を徐々に形成していきました。

図2：マデイラ諸島はポルトガル領で、人口は約25万人、ポルトガル本土の南西1,077キロメートルに位置しています。島は最長部で長さ 57 キロメートル、最長部で幅 22 キロメートルです。丨画像出典: wikipedia

マデイラ島に生息するネズミの何が特別なのでしょうか?科学者たちは、遺伝子の数はあまり変わらないが、染色体の構造と数が異なることを発見しました。これは、マデイラマウスの進化が遺伝子変異ではなく、あまり耳にすることのない染色体変異によって達成されたことを示しています。一般的な実験用マウス (Mus musculus) は 20 対 40 本の染色体を持ちますが、マデイラマウスは 22 〜 40 本の染色体を持ちます。変異したマデイラマウスのほとんどは子孫を残すのが難しく、胎児の段階で死亡するか、さまざまな欠陥のために出生後に死亡します。繁殖し、現地の環境に適応できる少数の個体は、突然変異を保存することになります。それが、今日見られるマデイラネズミの 6 種です。

ロバートソン転座：人間も創造した

染色体バンド技術の助けを借りて、科学者は実験室で染色体のさまざまな数値的および構造的変異を簡単に検出できます。マデイラ マウスの染色体の違いの主な原因は、ロバートソン転座 (ロバートソン転座とも呼ばれる) の発生です。

図 3: マデイラマウスにおけるロバートソン転座の分布。ロバートソン転座は集団内で非常に一般的ですが、ほとんどの転座は次の世代に受け継がれません。 [1]

ロバートソン転座は、2 つの染色体の長腕が 1 つの染色体に融合し、短腕が失われる場合に発生します。細胞分裂の中期には、一部の染色体のセントロメアが染色体の一方の端に位置し、その短腕は極めて短くなります。このタイプの染色体は、アクロセントリック染色体と呼ばれます。ロバートソン転座は末端動原体染色体間で発生することが多い。例えば、ヒトの2番染色体は、数百万年前にロバートソン転座によって2本の染色体が融合して形成されました[2] 。統計によると、新生児におけるロバートソン転座の発生率は1000人に1人であり[3]、影響を受けた子供のほとんどはダウン症候群やパトウ症候群などの健康問題を発症します。

図4: ロバートソン転座の模式図（筆者作成）

マデイラマウスにおけるロバートソン転座の状況は、ヒトの場合と似ています。マウスの集団内で一定の確率で発生し、生殖や健康に影響しない少数の転座が保持され、その後、集団内で徐々に広がり、新しいマウスの集団を形成することもあります。この740平方キロメートルの島では6種のネズミが確認されており、それらの染色体核型は大きく異なっています。サンプル密度が増加したり、時間が経過したりすると、新しいマウス系統が発見/出現する可能性が高くなります。

この島のネズミの祖先は、1000年前にこの島に停泊したバイキングの海賊船から来たのではないかと推測されているが、15世紀にポルトガル人植民者の船とともにやって来たという説もある。現代では、船舶やバラスト水に混じって動物が侵入し、外来種が世界中に蔓延する事例が数え切れないほどあります。

中学校で習った生物学の知識を思い出すと、1 つの卵母細胞が 2 回の減数分裂を経て 1 つの卵細胞と 3 つの極体を形成します。極体の運命は退化して消滅することであり、受精プロセスと個体の発達に参加するのは卵細胞だけです。中学校の教科書には、種における染色体の突然変異の特徴は、好みなくランダムに発生し、子孫の割合はメンデルの遺伝の法則に従う、と書かれています。しかし、マデイラマウスの染色体分離ではそうではありません。メスのマウスの減数分裂中、ロバートソン転座は極体に入り込んで「行き止まり」に終わるのではなく、卵母細胞を通じて次の世代に受け継がれる可能性が高くなります。極体の運命は退化または死であるため、受精プロセスや個体の発達には関与しません。

図 5: 2 回目の減数分裂で卵細胞と 3 つの極体が形成されます。極体は退化し、死滅する。丨出典：インターネット

では、ロバートソン転座を経験した「大きな染色体」（2 本の長い腕が融合し、染色体本体が大きくなっているもの）は、なぜ極体ではなく卵細胞に入る傾向があるのでしょうか。

答えはセントロメアにあります。セントロメアは、真核細胞内で紡錘糸を染色体に結びつける構造です。研究により、ロバートソン転座後に形成された染色体は、DNA含有量が高く、より多くのセントロメアタンパク質が付着していることが多く、「大きな染色体」は極体ではなく卵細胞に分布しやすくなることがわかっています。

図6: 染色体の模式図。

①染色体の分節 ②染色体を2つの腕に分ける中間節。中央部分には、染色体を紡錘体の微小管に結合するタンパク質複合体である動原体が含まれています。 ③ 短腕 ④ 長腕 丨 出典: Wikipedia

利己的な染色体は「ヒッチハイク」が得意

動物学者マイケル・J・D・ホワイトは50年以上前に、ロバートソン転座は減数分裂の「波」に乗って受け継がれるのに適していると提唱した。彼は、「ロバートソン転座などのいくつかの染色体再配列は、種分化において役割を果たし、雌の減数分裂中に特定の利点をもたらし、その結果、これらのメカニズムを通じて生殖隔離を生み出す可能性がある」と信じている。マデイラマウスの染色体突然変異のメカニズムが彼の理論を証明した。

植物にも同様の現象があるのでしょうか？

実際、マデイラネズミ以前にも、科学者たちはトウモロコシやキバナオウゴンなどの植物における大きな染色体の表現型を発見していた。

図 7: Ab10 変異トウモロコシ |出典: インターネット

1942年、遺伝学者マーカス・ローズはトウモロコシの10番染色体にAb10という一般的な突然変異があり、これもロバートソン転座によって引き起こされることを発見しました[4]。 Ab10 変異染色体を持つトウモロコシの穂軸は主に黒粒のトウモロコシで、少量の黄色粒が混じっており、黒粒のトウモロコシの穂軸が出現する確率はランダムな発生率よりもはるかに高い。ローズ氏は次のように説明した。

Ab10 を持つ染色体は、極体ではなく卵細胞に発達する位置に入る可能性が高く、そのため転座を持つ子孫が多くなり、その子孫の割合はメンデルの法則に従わなくなります。現在では、Ab10 は減数分裂中に卵母細胞に入る可能性が高く、これはマデイラ マウスの Robertson 転座に似ていることがわかっています。

ローズの発見は、歴史上「減数分裂駆動」現象の最初の報告であった。いわゆる減数分裂ドライブとは、生物の染色体が減数分裂中に利己的な遺伝子によって乱され、子孫の割合がメンデルの遺伝の予想される割合から逸脱する状況を指します。 「利己的な遺伝子」という概念に触発されて、トウモロコシの10番染色体は「利己的な染色体」と呼ばれています。 2018年になって初めて、Ab10の発生メカニズムが論文で説明され、このプロセスに関与するコアタンパク質KINDRとその機能が明らかにされました**[5]**。

図 8: 一般的なモンキーフラワーの一種 (左上) と黄色いモンキーフラワー (右上)。野生型のイエローモンキーフラワー（左下）は優性卵子率が50％で、子孫の割合はメンデルの遺伝の法則に従います。ロバートソン転座を伴う突然変異体黄色いサル顔花（右下の写真）では、卵子の98％が突然変異キャリアであり、子孫の割合はメンデルの遺伝の法則に従わなくなりました。

キバナモンキーフラワー（Mimulus guttatus）の遺伝は、減数分裂ドライブ理論のもう一つの例です。 2008年の論文[6]では、黄色い猿の顔の花のセントロメアが大きい個体はより多くの子孫を産み、優性ホモ接合子孫の割合は実験集団の総数の約50％を占めたが、メンデルの遺伝の法則によれば、この割合は25％であるはずであることが示された。このメカニズムに関与する分子には、CENP-A と CenH3 が含まれます。

頻繁な変異：自然淘汰の材料となる

上記の例から、減数分裂におけるセントロメアの役割が非常に重要であることがわかります。それがなければ、減数分裂と有糸分裂は進行できません。したがって、常識に基づくと、セントロメアの遺伝子配列とタンパク質は進化において非常に保存的である（簡単には変化しない）はずですが、実際には、真核生物のセントロメアのタンパク質と遺伝子は保存的ではなく、非常に急速に変異します。

なぜこのようなパラドックスが起こるのでしょうか? 2001年に、一部の科学者は、これはセントロメアが減数分裂の駆動に関与しているためだと説明しました[7]。この説明によれば、セントロメアの遺伝子配列（トウモロコシのAb10など）は、染色体分離機能を実行する「マシン」を「誘拐」しようとし、この「マシン」が染色体の突然変異を継続的に生成し、たとえば染色体の数が整数でない卵細胞を生成するようになります。突然変異の「害」は大きいことも小さいこともあり、また、すべてが致命的というわけではない中立的な突然変異もあるため、このプロセスは集団から消えることなく急速に進化してきました。

減数分裂駆動現象はマウスにも存在します。科学者たちは、GTPase活性を持つRanとCdc42の発現産物（タンパク質）が減数分裂駆動に関与し、紡錘体の位置決めと極性の確立に影響を与えることを発見しました[8]。科学者たちは、「大きなセントロメア」表現型を持つマウスと「小さなセントロメア」表現型を持つマウスを交配することで、「大きなセントロメア」を持つマウスの染色体が極体ではなく卵細胞に入る可能性が高いことを発見した。

進化は止まることなく、スクリーニングはあらゆる場所で行われています。減数分裂の原動力、つまり「利己的な染色体」は、生物の進化的適応にとってどのような意味を持つのでしょうか?

少なくとも一つ明らかなことは、セントロメアと紡錘体微小管の相互作用を調節することで、相同染色体は機能的な違いを生み出し、自然選択のための材料を安定して供給できるということです。このようにしてのみ、自然環境または人工環境が絶えず変化しているとき、適応して徐々により多くの系統、さらには種を作り出すことができる特定の突然変異を持つ生物の一部が常に存在することになります。

数百万年前のロバートソン転座によって人類の祖先が類人猿の祖先から分離され、類人猿が徐々に今日の人類へと進化したことを知っておく必要があります。

参考文献

[1] Janice BD他「島マウスにおける急速な染色体進化」ネイチャー 2000, 403(6766): 158

[2] パヴェウ・スタンキェヴィチ私たち全員が受け継いだ可能性がある一つの系譜 – アダムとイブは染色体2の融合を持っていたのでしょうか?分子細胞遺伝学 2016, 9:72

[3] Song JP et al.ロバートソン転座を持つ家族：ヒトの種分化の​​潜在的なメカニズム。モルサイトゲネット。 2016年9月48日。

[4] Rhoades M.トウモロコシにおける優先的分離。遺伝学1942、27：395–407。

[5] R. Kelly Daweらキネシン 14 モーターがネオセントロメアを活性化し、トウモロコシの減数分裂を促進する。セル 2018 173(4)、P839-850

[6] フィンセス・フレットら利己的な染色体駆動がモンキーフラワーにおける最近のセントロメアヒストンの進化を形作る。 PLoS Genet 2021、17(4):e1009418。

[7] Harmit S Malikら衝突は複雑さを生む：セントロメアの進化。 Cur Opin in Gene & Dev 2002, 12: 711–718

[8] Benoit D et al. Ran GTPase は、ERM エズリン/ラディキシン/モエシンの不活性化を調節することによって卵母細胞分極を促進します。細胞周期。 2013年6月1日;12(11):1672-8.

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

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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