「母親」から受け継いだストレス耐性はチートとみなされるのか？

制作：中国科学普及協会

制作者: 江 孟平 (中国科学院脳科学・知能技術研究センター)

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

次のようなことを聞​​いたことがあるかもしれません。

「君はとても賢いね、君のお母さんもきっととても賢いんだろうね？」

「あなたのお母さんとおばあちゃんはとても長生きしたから、あなたもきっと長生きするでしょう。」

これらの発言はすべて母親が子孫に与える影響について論じたものであり、実際に子孫の知能と寿命は母親と密接に関係していることを示す研究もあります。

画像出典: Veer Gallery

しかし、今日の記事はこれらについてではなく、母親に関連する別の遺伝的現象、つまりストレス記憶の母性遺伝についてです。

線虫のストレス記憶は世代を超えて受け継がれるのでしょうか?

環境ストレスにさらされると、生物は環境ストレスに抵抗するために適応的なストレス反応を生み出します。このストレス反応は子孫に受け継がれるのでしょうか?

今月初め、中国科学院遺伝学・発生生物学研究所の田野氏のチームの最新の研究結果がこの疑問に肯定的な答えを与えた。彼らは「神経細胞のミトコンドリアストレスは、子孫のミトコンドリアDNAのコピー数を増加させることにより、ストレス記憶の世代間継承を誘導する」と題する論文を、Nature Cell Biology誌オンライン版の表紙記事として発表し、線虫のストレス記憶の世代間継承現象を報告した。

この線虫は何ですか？生物学に詳しい友人なら、線虫が古典的なモデル生物であることを知っているかもしれません。体全体が透明で、成虫でも体長はわずか1mmです。しかし、その小さな体には、完全に分化した組織や、「脳」のような神経系さえも含まれています。

線虫（画像出典：keys.lucidcentral.org）

21世紀に入ってから、6人の科学者が線虫を実験対象とした業績によりノーベル賞を受賞しており、線虫は生命科学研究の分野におけるスーパースターとなっている。

1 ミリメートルの大きさの線虫がストレス記憶を何世代にもわたって受け継ぐことができると想像できますか?研究者らは、線虫のニューロンでハンチンドン病の病原性遺伝子を発現させ、ニューロンのミトコンドリアに損傷を与え、組織や細胞を横断する線虫の腸細胞でミトコンドリア変性タンパク質反応（UPRmt）を誘発した。これは線虫の体の保護ストレス反応である。このミトコンドリアストレスの組織間コミュニケーションは、線虫が局所的なミトコンドリアの損傷にうまく対処するのに役立つ可能性があります。

これらの線虫が野生型の線虫と交配すると、病原性タンパク質を持たない野生型の子孫の 30% で UPRmt シグナルの誘導が見られ、これはストレス反応があったことを意味します。さらに、ストレス反応を示した第一世代の子孫のうち、80%の個体が第二世代にUPRmtシグナルを伝え続けました。

驚くべきことに、研究者たちは線虫の50世代目でもこのストレス信号を観察し、母親のストレス記憶が50世代以上も子孫に受け継がれる可能性があることを示しました。

線虫のストレス記憶は50世代以上にわたって受け継がれる（画像出典：参考文献1）

ストレス記憶の遺伝子コード

では、このストレス記憶はどのようにして世代を超えて継承されるのでしょうか?その答えはミトコンドリア DNA (mtDNA) のコピー数にあります。

通常、細胞内にはミトコンドリア DNA のコピーが複数存在します。ミトコンドリア DNA の多重コピーの性質は自己防衛機構であると考えられており、ほとんどのミトコンドリア疾患では一定の割合の遺伝子変異が発生する必要がある。

例えば、母親の遺伝性疾患の中でより一般的なミトコンドリア疾患であるレーバー遺伝性視神経症（LHON）、非症候性難聴などは、99.5% を超える遺伝子変異率を必要とします。

線虫のニューロンのミトコンドリアが損傷すると、ニューロンは Wnt 経路を介して生殖腺と信号を伝達し、子孫のミトコンドリア DNA のコピー数が増加します。しかし、コピー数が多すぎるとミトコンドリア内のタンパク質恒常性のバランスが崩れ、体が UPRmt を活性化するようになります。これがミトコンドリアを通じてストレス記憶を伝達する原理です。

実際、子孫のミトコンドリア DNA コピー数の増加によって誘発される UPRmt は、身体にさまざまな影響を及ぼします。母性ストレス機構を継承したこれらの線虫は、野生型の線虫と比較して寿命が大幅に延び、熱ストレスやパラコートに対する耐性を示した。

しかし、ケーキを食べて、ケーキも残すことはできません。回復力が高く寿命が長いこれらの個体は、発育が遅くなり、生殖能力が低下しました。

ミトコンドリア DNA は母親からのみ得られるため、このストレス記憶は母系を通じて受け継がれます。たとえ子孫がストレスによるダメージを受けなかったとしても、子孫は「母親」のストレス記憶を受け継ぎ、「母親の肩」の上に立って強くなることができます。

母性遺伝とは何ですか？父系相続とどう違うのでしょうか?

では、母性遺伝とは一体何なのでしょうか?

この質問に答える前に、まず父系相続について理解しましょう。遺伝物質は主に染色体に存在することがわかっています。平均的な人の体にある 46 本の染色体のうち、半分は母親から、残りの半分は父親から受け継がれています。

男性の場合、22 本の常染色体と 1 本の性染色体 (Y 染色体) を父親から受け継ぎます。いくつかの特定の遺伝子断片は Y 染色体上にのみ存在し、男の子にのみ受け継がれます。

このように父から息子に受け継がれ、Y染色体とともに継承される現象を父性遺伝といいます。たとえば、人間の外耳道多毛症とアヒルの水かき病は、父親から遺伝する一般的な 2 つの症状です。

では、母性遺伝とは、母親のX染色体を通じて娘に受け継がれる遺伝子のことを指すのでしょうか?

これは単純すぎる考えです。母性遺伝は X 染色体とは何の関係もありません。

はい、問題ありません！遺伝学では、母性遺伝は特に上記のミトコンドリア DNA の遺伝を指します。

染色体 DNA に加えて、ヒトの遺伝物質はミトコンドリア DNA にも存在します (全 DNA の約 1% ～ 2% を占めます)。

ミトコンドリアとミトコンドリア DNA (画像提供: Veer Gallery)

混乱するかもしれません。父親にもミトコンドリアがあるのに、なぜミトコンドリアの遺伝は母親からでなければならないのでしょうか?

これは、父親の精子に含まれるミトコンドリアが非常に少なく、厳しく監視されており、受精後に急速に分解されるためです。

したがって、受精卵から成長する個体は母親からミトコンドリアのみを持ち、これらのミトコンドリアは娘を通じて子孫にのみ受け継がれます。これは母性遺伝です。すごいですね！

物議を醸す「ミトコンドリア・イブ」

ミトコンドリア DNA は母系を通じてのみ継承されますが、その起源は何でしょうか?

1980年代、カリフォルニア大学バークレー校のウィルソンの遺伝学グループは、現代人のミトコンドリアDNAが2つの主要なカテゴリーに分けられることを発見した。最初のタイプは一部のアフリカ人にのみ見られますが、もう 1 つのタイプはアフリカ人を含むすべての人種に分布しており、その最終的な発生源もアフリカ人です。

さらに研究を進めた結果、ウィルソンの研究チームは、太古の昔にすべての人類の共通の祖先が存在し、すべての現代人のミトコンドリアDNAはこの女性、有名な「ミトコンドリア・イブ」に由来すると考えている。 「イブ」理論が提唱されると、多くの人々の注目を集め、大きな論争も巻き起こしました。

もちろん、ミトコンドリアの起源は人類の起源と関連しているものの、決して同一視できるものではないことに注意する必要があります。

「ミトコンドリア・イブ」モデル：現代人のミトコンドリアDNAは一人の女性にまで遡ることができる

（画像出典：参考文献4）

「適者生存」、より強い適応力があれば、より厳しい環境でも生き残ることができます。

線虫は幸運です。適応力を身につけるために、母親としての「痛み」をもう一度経験する必要はないのです。線虫の母方の「祖先」は、自分たちの「子孫や孫」のことを本当に心配しているのです。ミトコンドリアDNAは非常に安定しており、ストレス記憶のキャリアとして母親がそれを選択するのは賢明です。

線虫の世代を超えた継承を通して、私たちは生命の継承と母親の偉大な知恵を見ることができます。

参考文献

1. 張 Q.、王 Z.、張 W. 他神経ミトコンドリアのストレスの記憶は、ミトコンドリア DNA レベルの上昇を通じて世代を超えて受け継がれます。ナショナルセルバイオロジー（2021）。 https://doi.org/10.1038/s41556-021-00724-8

2. Cann RL、Stoneking M、Wilson AC (1987)、「ミトコンドリアDNAと人類の進化」、Nature、325 (6099): 31-36

3. ルーウィンR（1987）。 「ミトコンドリア・イブの正体の暴露」科学。 238（4823）：24–26。書誌コード:1987Sci...238...24L. doi:10.1126/science.3116666. PMID3116666。

4.https://commons.wikimedia.org/wiki/ファイル:MtDNA-MRCA-世代-Evolution.svg