ミトコンドリアの起源の謎：真核細胞のエネルギー工場はどうやって作られたのか？

ミトコンドリアの起源に関して、科学者は共生起源と非共生起源という2つの異なる仮説を提唱しています。名前が示すように、細胞内共生とは、真核細胞の祖先とそれが取り込んだ原始的な細菌との間の共生進化です。非共生起源と比較すると、共生起源を支持する結果が多くあります。しかし、共生自体の起源については議論がある。真核細胞の祖先は細菌を飲み込むために大量のエネルギーを必要としたが、エネルギーを生成するミトコンドリアはまだ進化していなかった。これは鶏が先か卵が先かという問題になります。貪食作用とミトコンドリアのどちらが先に発生したのでしょうか?

著者 |ナンジ

ミトコンドリアについては中学校の生物学の授業で学びました。これは、真核細胞によく見られる細胞小器官の一種です（ジアルジアやトリコモナスなどの寄生虫のように、ミトコンドリアを持たない真核細胞もいくつかあります）。細胞が好気呼吸を行う主な場所であり、細胞内のエネルギー生産工場であるため、細胞の「発電工場」とも呼ばれています。

電子顕微鏡下のミトコンドリア（マトリックスは染色されています） |画像出典: news.mit.edu

真核細胞内のミトコンドリアがどこから来るのかは、真核生物の起源に関係しており、生物進化研究における重要なテーマです。

現在、ミトコンドリアの起源については、細胞内共生仮説と非共生起源という 2 つの仮説があります。これら 2 つの仮説はそれぞれミトコンドリアの状況を説明することができるため、常に独自の支持者がいました。

ミトコンドリアの発見

1850年、スイス系ドイツ人の生物学者で解剖学者のルドルフ・コリカーは、実験でミトコンドリアを観察し、分離して研究し、その形状と大きさを記述しましたが、当時はミトコンドリアの機能と内部構造が明確ではなかったため、名前を付けませんでした。

スイス系ドイツ人の生物学者、解剖学者ルドルフ・コリカー（1817-1905）は、顕微鏡解剖学の創始者であり、近代発生学の創始者とも考えられています。丨画像出典：wiki

1880 年代には顕微鏡技術の発達により、顕微鏡の倍率が大幅に増加しました。ドイツの病理学者で組織学者のリチャード・アルトマンは、高倍率顕微鏡を使用して細胞の超顕微鏡的構造を研究したところ、エネルギーを必要とする細胞（筋肉細胞など）に多数の粒子を発見しました。 1886 年、彼はこれらの粒子を識別する染色法を発明し、顕微鏡で細胞内の粒子の分布をはっきりと観察しました。彼は、これらの粒子は細胞自体の成分ではなく、細胞と共存する細菌であると推測し、これらの粒子を「バイオブラスト」と名付けました。

1897年、ドイツの生物学者カール・ベンダは、原生動物が多数存在し、その形が線状や粒状であることを発見し、その原生動物をミトコンドリアと名付けました。それ以来、科学界ではこの粒子の正式名称として「ミトコンドリア」を使用しています。

その後、ミトコンドリアの機能に関する研究で、科学者はミトコンドリアが細胞内でトリカルボン酸回路、電子伝達、酸化的リン酸化が起こる場所であることを発見し、ミトコンドリアが真核細胞がエネルギー変換を行う場所であると判定しました。

ミトコンドリアはどこから来るのでしょうか？

共生起源仮説

リチャード・アルトマンはミトコンドリアを観察したとき、細胞内のこの構造は細菌に似ており、細胞内で共存し、独立した生命活動が可能な生物であると提唱したが、当時はこれを証明する実質的な証拠はなかった。 1920年代、アメリカの生物学者イヴァン・E・ワリンは、ミトコンドリアは細胞内共生から生まれた、つまり細胞に取り込まれた細菌から進化したという仮説を提唱しましたが、彼の仮説は当時の科学界では認められませんでした。

1970 年代になって初めて、アメリカの生物学者リン・マーギュリスが、原始的な真核生物が特定の状況下でグラム陰性の好気性細菌を摂取するという、より完全な細胞内共生理論を提唱しました。これらの好気性細菌は、原始的な真核生物と共存しながら徐々に進化し、互いに適応し、相互に有益な共生関係を築き、徐々にミトコンドリアを形成しました。この共生システムでは、宿主（好気性細菌）は宿主（原始的真核細胞）から栄養素を獲得し、宿主は宿主が生成したエネルギーを利用できるため、共生の競争力が高まります。この仮説は科学界から強い支持を受けており、この仮説の科学的性質を証明する証拠も数多く存在します。

まず、ミトコンドリアは独立した遺伝物質、つまりミトコンドリア DNA と RNA を持っていますが、これは真核生物の細胞核の遺伝物質とは異なり、細菌の遺伝物質に似ています。

第二に、細胞が再生すると同時に、ミトコンドリアも独立性と継続性を持って増殖し、分布します。その分裂と増殖は、細菌と同様に収縮によって完了します。

第三に、ミトコンドリア自体は独立した完全なタンパク質合成システムを持っており、この合成システムの特徴のほとんどは細菌のタンパク質合成システムと類似していますが、真核細胞のタンパク質合成システムとは異なります。

4番目に、ミトコンドリアには内膜と外膜があります。内膜は細菌の細胞膜に似ており、外膜は真核細胞の内膜に似ています。生物学者は、共生システムの形成中に、宿主が寄生性の好気性細菌を飲み込むと、宿主の内膜が宿主を包み込み、ミトコンドリアの外膜を形成すると推測しています。

第五に、この仮説は、進化の過程で、好気性細菌の元々の遺伝情報の大部分が宿主細胞に移され、融合されたことを指摘している。最近の研究では、呼吸器細菌やシアノバクテリアの遺伝情報が真核細胞の核内に存在することがわかり、この仮説が確認されました。

6 番目に、ミトコンドリアの遺伝子コードはプロテオバクテリアの遺伝子コードに類似しており、ミトコンドリアはα-プロトバクテリアに由来すると考えられています。

第七に、ゾウリムシがシアノバクテリアを飲み込んで共生体を形成するなど、同様の共生現象は現存する生物の中にも存在しています。

細胞内共生の起源についても、説明されていない問題がいくつかあります。取り込まれた好気性細菌は酸化代謝経路を有しており、この能力により、生存競争において取り込まれた宿主に対して大きな優位性が得られるようです。では、なぜこの好気性細菌は底部にあり、宿主として取り込まれ、自身の遺伝物質を宿主細胞に移しているのでしょうか?これは進化の法則に従わない。さらに、細胞内共生起源仮説では、細胞の制御中枢である核がどのように発生したのかを説明できません。

非共生起源仮説

共生起源仮説が出現した後、非共生起源仮説を支持する反対者も現れました。非共生仮説では、真核細胞は好気性細菌から発生したと推測されます。この細菌の進化の過程で、呼吸機能を持つ細胞膜の一部が徐々に内側に陥入し、遺伝物質の一部を包み込み、独立した遺伝物質と呼吸機能、膜構造を持つミトコンドリアを形成しました。

非共生起源仮説を裏付ける証拠もいくつかある。例えば、一部の原始的な好気性細菌は現在、細胞膜の陥入と折り畳みによって形成され、呼吸機能を持つ擬似ミトコンドリア構造を持っています。原核細胞内の呼吸機能を持つ構造は、今日のミトコンドリアの原型と見ることができるため、ミトコンドリアは貪食共生によって形成されたのではなく、進化したのではないかと推測されています。真核細胞の核膜とミトコンドリア膜は連続しており、ミトコンドリアは共生細菌からではなく、細胞自身の内膜系の陥入から発生する可能性があることを示している。

共生起源仮説をめぐる論争

細胞内共生起源仮説には未解明の問題がいくつかあるが、非細胞内共生起源仮説よりも多くの証拠を提供しているため、ミトコンドリアの起源に関する最も主流の理論となっている。

細胞内共生起源仮説では、ミトコンドリア細胞内共生が起こった時期の違いに基づいて 2 つの学説が生まれました。

一つの仮説は「ミト後期」モデルと呼ばれています。彼らは、宿主が好気性αプロテオバクテリアを貪食する前に（現在ではミトコンドリアがそこから進化したことを証明する多くの証拠がある）、すでにさまざまな経路を通じて細胞核を形成し、真核細胞の特徴（すでに細胞核、動的細胞骨格、および細胞内膜システムを持っていた）を持ち、原始的な食作用機能を持っていたと考えています。つまり、ミトコンドリアの祖先（α-プロテオバクテリア）は比較的遅れて宿主（原始的な真核細胞）に入りました。

提案されているもう一つの仮説は、「ミトコンドリア初期」モデルと呼ばれています。彼らは、宿主（原核細胞）がまず好気性αプロテオバクテリアと共生関係を形成し、ミトコンドリアを持つ原核細胞を形成したと考えています。この発電所を獲得した後、細胞核や細胞内膜システムなどの真核生物の特徴を進化させました。

透過型電子顕微鏡で観察した昆虫細胞内のウォルバキア。アルファプロテオバクテリア綱に属します。丨画像出典: wiki

2 つの派閥間の論争の焦点は、ミトコンドリアの祖先 (α-プロテオバクテリア) が宿主に侵入した時点にあります。この時点がなぜそれほど重要なのでしょうか?

なぜなら、ミトコンドリアの祖先がどのようにして真核細胞の祖先に入ったのかは、極めて重要な議論のポイントだからです。科学者の中には、ミトコンドリアが貪食作用によって侵入すると考える者もいれば、細胞がミトコンドリアを獲得して初めて貪食作用を行えると考える者もいる。そこで疑問は食作用に移ります。

貪食作用は、特定の細胞が変形運動によって微生物や小さな物体を飲み込むプロセスです。この一見単純なプロセスは、実際には大量のエネルギーを必要とし、細胞が動的な細胞骨格と膜輸送能力を持っていることを必要とします。

細胞が細菌を飲み込むのに大量のエネルギーを必要とする場合、エネルギーを供給するエネルギー工場であるミトコンドリアがなければ、細胞はミトコンドリアの祖先を飲み込むことはできないでしょう。しかし、この時点ではミトコンドリアの祖先はまだ消滅していなかったのに、ミトコンドリアはどのようにして細胞のエネルギー工場になることができたのでしょうか?まるで時間の渦の中に入り込んだかのようです。鶏が先か、卵が先か？言い換えれば、ミトコンドリアと食作用のどちらが先に起こったのでしょうか?

もし貪食作用が最初に起こったとしたら、真核細胞の祖先はミトコンドリアの祖先を飲み込んだ時点ですでにあるレベルまで進化していたことになる。ミトコンドリアの出現は、真核細胞の進化におけるほんの一大成果に過ぎませんでした。これが後期ミトコンドリア仮説です。しかし、ミトコンドリアが最初に出現し、真核細胞の祖先に大量のエネルギーを供給したのであれば、このエネルギー工場のおかげで、真核細胞の祖先は進化し、その後の真核細胞を形成したことになります。この場合、ミトコンドリアは真核細胞の進化にタイムリーな助けとなった。これが初期のミトコンドリア仮説です。

ミトコンドリア内部共生の初期モデルと後期モデルに関する議論はまだ決着していない。両学派はそれぞれ独自の証拠を持ち、多くの仮説を提唱している。

ミトコンドリア内共生の後期モデル (A) と初期モデル (B) |画像出典: Martin, William F.、他ミトコンドリア起源の文脈における食作用の生理学。微生物学および分子生物学レビュー81.3（2017）：e00008-17。

例えば、1998年にビル・マーティンとミクロス・ミュラー[1]は、水素を必要とするメタン生成古細菌が、宿主として水素を生成するαプロテオバクテリアと融合し、両者が相互依存して安定した共生関係を形成するという「水素仮説」を提唱しました。このモデルは、ミトコンドリアの祖先が細胞内共生した後、大量のエネルギーを生産するミトコンドリアを持つことで真核生物の発生が引き起こされたと説明しており、真核細胞や貪食作用よりも先にミトコンドリアが存在したことを示しています。この仮説は最も有名な初期のミトコンドリアモデルです。しかし、この仮説に疑問を呈する科学者たちは、このモデルにおけるメタン生成のプロセスは非常に複雑で、今日の真核生物には見られない大量の補酵素を必要とすると考えています。

後者のミトコンドリア仮説には、2011年にアンソニー・M・プールとナジャ・ノイマン[2]、2013年にヨラン・マルティンとティイス・JG・エッテマ[3]が提唱した貪食古細菌モデル（PhAT）が含まれます。ロペス・ガルシアらが提唱した共生仮説[4] 2006年にPittis Alexandrosらによって提案された共生モデル[5]これらのモデルでは、いずれもミトコンドリアは後から形成されたと考えられており、特に貪食古細菌モデルでは、貪食メカニズムがミトコンドリアの祖先と真核細胞の祖先の融合の前提条件であると考えられています。

全体的に、初期ミトコンドリア仮説は現在ではより人気があります。

新たな証拠の発見

今年2月、「分子生物学と進化」[6]誌に掲載された論文では、実験を通じて後期ミトコンドリア仮説のさらなる証拠が示されました。

この論文は、スウェーデンのウプサラ大学の進化微生物学者ライオネル・ガイ氏によって発表されたもので、同氏のチームは、真核細胞内で増殖できる細胞内寄生虫であるレジオネラ目の細菌の配列を解析した。研究チームは、35種のレジオネラ菌のゲノムを分析することで、レジオネラ菌の進化の歴史と初期の宿主との関係を構築した。ガイ氏のチームはバイオマーカーのオケノンを遡って調査し、宿主に適応した最初のレジオネラの祖先は18億9000万年前に存在していたと推測した。つまり、18億9千万年前の時点で、レジオネラ菌の祖先はすでに真核生物の祖先に感染していたことになります。この感染は貪食によって行われ、これは当時すでに貪食機構が存在していたことを間接的に証明しています。現在の多くの研究では、ミトコンドリアを含む細胞が初めて出現したのは約 15 億年前であり、これは貪食機構が存在していた時代よりも後であると示唆されています。ミトコンドリアの出現は、真核細胞の祖先が貪食能力を獲得した後だったようです。貪食が最初に起こり、その後にミトコンドリアが出現したため、後期ミトコンドリア仮説の証拠となります。

レジオネラ（緑）は貪食作用によって真核宿主細胞に侵入します |画像出典: サイエンスソース

しかし、ミトコンドリアの共生は非常に初期に起こったことを証明した科学者もおり、12億1000万年前から20億5300万年前の間であったと信じており、さらに20億年前から24億年前の間であったと信じている科学者もいます。もしミトコンドリアの共生がそれほど初期に起こったのであれば、ガイ教授の証拠は、ミトコンドリアの形成に先立って貪食が起こったことを証明することはできない。

ミトコンドリア内部共生の初期段階と後期段階に関する議論は未だ結論が出ていない。ミトコンドリアの起源については、まだ研究と説明が必要な複雑な詳細が数多くありますが、結論がどうであれ、真核細胞の祖先とミトコンドリアの組み合わせが、生存のための大きな競争上の優位性を生み出したことは事実によって証明されています。この強力な競争心と継続的な進化が、この世界に住む私たちを含め、私たちが今日生きている多彩な世界を形成してきました。

主な参考文献

[1] Martin W、Müller M. 1998.最初の真核生物の水素仮説。ネイチャー392(6671):37–41.

[2] Poole AM、Neumann N. 2011.真核生物の古細菌起源と貪食の調和：エオサイト仮説の生物学的に妥当なアップデート。微生物学研究。 162(1):71–76.

[3] マーティンJ、エッテマTJ。 2013年。古細菌から真核生物へ：真核細胞の進化の暗黒時代。生化学学会誌41(1):451–457.

[4] ロペス・ガルシアP、モレイラD. 2006.真核生物の核の起源における選択的力。バイオエッセイ28(5):525–533.

[5] Pittis AA、Gabaldón T. 2016.キメラ原核生物の祖先を持つ宿主によるミトコンドリアの後期獲得。ネイチャー531(7592):101–104.

[6] Hugoson E、Guliaev A、Ammunét T、Guy L. レジオネラ属の宿主適応は19億年前、真核生物の進化と一致する [J]。分子生物進化学2022, 39(3):msac037.

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