100年以上続いた謎が解明されました。なぜ生命は進化し続けることができるのでしょうか?

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100年以上前、遺伝学者は生殖細胞における染色体の組み換え現象を発見しました。それはゆっくりだが着実な進化のプロセスのようなもので、生物の各世代がゲノムをより多様化させていきます。しかし、たった一つの塩基に異常があっても病気を引き起こす可能性があります。生物がこの過程をいかに正確に制御するかを科学者が解明したのはごく最近のことである。

執筆者：石雲雷

校正：ウー・フェイ

有性生殖の利点

20 世紀で最も影響力のある遺伝学者の一人であり、ノーベル賞受賞者でもあるヘルマン・ジョセフ・ミュラーは、かつてミュラーのラチェットと呼ばれる理論を提唱しました。 X線を使って遺伝子変異を研究する科学者として、彼は、有性生殖は無性生殖に比べて大きな利点があると述べた。有性生殖する生物は配偶子を作るときに減数分裂の過程を経て、生物が深刻なDNA損傷を修復するのに役立つ可能性がある。

ヘルマン・ヨーゼフ・マーラー（写真提供：ノーベル賞公式サイト）

このプロセスでは、染色体が 1 回複製され、その後細胞が 2 回分裂します。つまり、1 つの母細胞から最終的に 4 つの娘細胞が生成されます。最初の分裂では、母細胞内の 2 つの親からの染色体が対になって相同染色体になります。染色体の両方の鎖が損傷した場合、染色体の交換と組み換えによって損傷を修復することができます。無性生殖生物では組み換えが起こらないため、DNA損傷などによる遺伝子変異が蓄積し続け、最終的には生物の死に至ります。 （もちろん、その後の研究で、細菌など無性生殖する生物の中には、他の方法で DNA 損傷を効果的に修復できるものもあることが確認されているため、マーラーの見解は正しくない可能性があります。）

減数分裂中、相同染色体間で組み換えが起こります。 (画像出典: Wikipedia)

マーラーがこの考えを提唱したが、これは遺伝理論の創始者である彼の師トーマス・ハント・モーガンがショウジョウバエを使って行った遺伝子研究に関連していた。 1916年、彼はショウジョウバエにおいて、互いに対合できる類似の遺伝子構成を持つ染色体が、損傷した遺伝子を修復するためだけでなく、遺伝子組み換えを行うためにも断片を交換し、その結果、それぞれの子孫の遺伝子構成が異なることにも気づきました。しかし、科学界は遺伝子組み換えの具体的なメカニズムをまだ完全には理解していません。

世代ごとに進化している

遺伝子の突然変異と遺伝子の組み換えはどちらも種の進化を促進することができます。細菌やウイルスは強力な繁殖能力を持ち、外部からの圧力に直面すると急速な遺伝子変異を通じて進化することができます。外部からの圧力によって選別された後、集団には少数の変異株しか残っていない可能性がありますが、これらの変異株は効率的な繁殖能力を持っているため、すぐに新しい集団を形成します。

遺伝子の突然変異は多細胞生物でも起こりますが、多細胞生物にとって突然変異による進化はあまり合理的かつ効率的な方法ではありません。たとえば、人体は遺伝子の変異や損傷を修復するためにさまざまな方法を使います。既存の研究により、多くの遺伝子変異がさまざまな発達障害、がん、その他の疾患に関連していることが判明しています。有性生殖を行う生物にとって、遺伝子組み換えを通じて子孫の遺伝的多様性を拡大することは、遅いとはいえ、安定的かつ効果的な方法です。このプロセスにおいてよくある質問は、なぜ 2 つの相同染色体が同じサイズの断片を正確に交換できるのか、ということです。

交換された遺伝子断片が等しくない場合、災害につながると考えられます。一般的な例としては、染色体転座（非相同染色体断片の再配置により、交換後に染色体の長さが変化する）が挙げられます。このプロセスにより胎児の染色体が失われ、流産などのさまざまな異常を引き起こす可能性があります。有性生殖のプロセスに関与する遺伝子は生物内で保存されているため、一部の科学者は、さまざまな生物の進化と発達についての理解を深めるために、より単純な生物を研究することでこの疑問に答えようとしてきました。そして今回の答えは、有性生殖する植物から得られます。

特別な植物

シロイヌナズナはゲノムが小さく、染色体も 5 対しかない非常に小さな植物です。典型的な自家受粉植物（有性生殖）です。メンデルが遺伝学の法則を発見するために使用したその先駆者であるエンドウ豆の植物と同様に、この植物は植物生物学と遺伝学に対する人々の理解を変える運命にあった。

シロイヌナズナの成長過程（画像出典：https://elifesciences.org/articles/06100）

2012年、フランスのジャン＝ピエール・ブルジャン研究所の科学者たちは、以前の研究に基づいて、新しいタンパク質HEI10（ユビキチンリガーゼ）を発見しました。これは ZMM と呼ばれるタンパク質のクラスに属します。後者は主に減数分裂中に相同染色体上の遺伝子セグメントの交換を制御する役割を担っています。これまでの研究で、これらのタンパク質の多くは異なる機能を持っていることが分かっています。2つの染色体を結合させて安定した構造を維持する役割を担うものもあれば、DNAの組み換えを促進するものもあります。

1つの仮説は、HEI10 タンパク質の機能が異なる可能性があるというものです。染色体上のその数は、染色体が組み換えを受ける回数に影響を与えたり、染色体の組み換えが起こる場所を制御したりすることができます。最近、ネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載された論文で、ケンブリッジ大学の研究者らは超高解像度顕微鏡と数学モデルを使用して、この仮説を検証するために、減数分裂中のシロイヌナズナの染色体上のHEI10タンパク質の挙動を研究しました。

染色体の組み換え中に、HEI10 タンパク質の動きは、最初は数百の小さな凝集体であったものが、わずか数か所に集中する形に変化します。 （写真は同紙より）

彼らは、HEI10タンパク質が当初、染色体をトラックとして扱い、その上をランダムに移動して、多数の小さなタンパク質凝集体を形成していることを発見した。時間が経つにつれて、HEI10 タンパク質は相同染色体がシナプトネマ複合体を形成する部位に移動します。この構造が形成されて初めて、染色体は互いに交換できるようになります。 HEI10 タンパク質がこの位置に移動すると固定され、その後、同じ場所にさらに多くの HEI10 タンパク質が濃縮されるようになります。最終的に、数百個の小さなHEI10タンパク質の凝集体から始まったものが、1桁の大きな凝集体へと変化しました。 HEI10 タンパク質が最も豊富に存在するこれらの部位では、染色体は交差と組み換えを起こします。

植物におけるHEI10タンパク質の発現が増加すると、細胞内で染色体組換えが起こる部位が増加し、組換え部位間の距離が近くなります。細胞内のHEI10タンパク質の量が40%減少すると、相同染色体の1つのシナプトネマ複合体領域でのみ遺伝子組み換えが発生しました。研究者らは、細胞のシナプトネマ複合体領域が染色体交換の候補部位であり、その部位に蓄積されるHEI10タンパク質の量によって遺伝子組み換えが起こるかどうかが決まると考えている。

多くの生物に見られる

この遺伝子組み換えのパターンは、酵母、線虫、ショウジョウバエ、哺乳類など多くの生物で保存されています。以前、ネイチャー・ジェネティクス誌に掲載された研究で、ハワード・ヒューズ医学研究所のニール・ハンター教授らは、HEI10タンパク質が欠損している場合、マウスの染色体組み換えの初期過程はスムーズに進むが、最終的には染色体組み換えが起こらないことを発見した。言い換えれば、HEI10 タンパク質はこのプロセスの後半段階で決定的な役割を果たします。

これらすべての生命は受精卵から生まれ、この最初の細胞のゲノムが、後に個々の生物を構成する各細胞のゲノム構成も決定します。遺伝子塩基変異の修復、発現、遺伝子組み換えのいずれであっても、生命が存在し継続するためには、それらすべてが正確に制御される必要があります。しかし、遺伝子は非常に脆弱でもあります。多くの環境要因は、親の遺伝子、病状、寿命に影響を与えるだけでなく、遺伝子の伝達を通じて子孫にも影響を与える可能性があります。

つまり、悪い生活環境（大気汚染物質、紫外線、重金属、ストレスなど）や生活習慣（アルコール依存症、喫煙、ジャンクフードの過剰摂取）は、私たち自身の健康に影響を与えるだけでなく、最も基本的な遺伝子を変化させている可能性があるのです。バイオテクノロジーの将来的な発展により、これらの有害な影響の一部は排除される可能性があります。しかし、今日、私たち一人ひとりが健康な体を持っているのは、おそらく家系図の中の親戚や、常に懸命に働いている体内のさまざまな細胞や分子のおかげである。

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