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ゲノム編集はオオカバマダラの毒素耐性の進化をリトレースする

高橋祥子さんのツイートから

ゲノム編集で進化させることに成功というよりは、進化系を変化させうる表現型の編集に成功、という感じですね。
トウワタとオオカバマダラだけが毒を通じて共生していたところにショウジョウバエが入ってくると一体ど...(うなるのか)?
カルフォルニア大学バークレー校の科学者たちが、ゲノム編集技術の一種であるCRISPRを用い、ハエの一種であるショウジョウバエにかつてないほどの進化的優位性を与えることに成功しました。研究チームはゲノム編集で遺伝子に3つの小さな変更を加えることで、ショウジョウバエを「毒を食べて体内に蓄え、捕食者から身を守る能力を持ったショウジョウバエ」に進化させています。
トウワタ属の植物は茎を切ると白い乳液を出します。この乳液には毒があるため、ほとんどの動物や昆虫にとってトウワタは有害です。

有毒であるため多くの動物や昆虫が避けるトウワタですが、オオカバマダラはこの毒を摂取し体内に蓄えることができるため、産卵時にはトウワタに卵を産み付けるそうです。そうすることで卵を外敵から守り、トウワタはオオカバマダラを受粉媒介生物として利用しています。また、オオカバマダラの幼虫はトウワタを食べることで毒素を体内に貯め込み、外敵から身を守ります。つまり、毒素を持ったトウワタとその受粉媒介生物が共生しながら進化を果たしたことで、「毒素に対する耐性」という能力を持つオオカバマダラが誕生したといえます。

しかし、カリフォルニア大学バークレー校の研究者たちは、ゲノム編集技術を用いることでショウジョウバエにオオカバマダラと同じ「トウワタの毒素」に対する耐性を与えることに成功しています。使用されたCRISPRは、これまでに昆虫や哺乳類、人間の遺伝子編集に使用されてきましたが、毒の耐性を獲得させることで「環境に対する新しい行動と適応」を与えるようなゲノム編集が多細胞生物に施されたのは初めてだそうです。なお、今回の研究における「環境に対する新しい行動と適応」とは、「ショウジョウバエが体内に毒素を貯め、外敵から身を守ろうとすること」を指します。

ショウジョウバエにトウワタの毒素に対する耐性を与えるため、研究チームはショウジョウバエの遺伝子上でオオカバマダラの毒耐性に関連する遺伝子情報を再現しようと試みました。研究チームによると、トウワタの毒素の耐性は単一の遺伝子が原因であるため、ショウジョウバエに同じような耐性を与えるには、遺伝子の中の3つのヌクレオチドを置換するだけで済んだそうです。

遺伝子編集されたショウジョウバエの幼虫(ウジ)は、トウワタを食べて繁殖することが可能で、それにより体内に毒素を蓄えることに成功。さらに、ウジが変態してショウジョウバエになっても、毒に対する耐性は保たれたままだったそうです。なお、突然変異的な進化をゲノム編集により引き起こしたことで、トウワタの毒素の耐性を持つ進化したショウジョウバエは、野生のショウジョウバエよりもトウワタの毒素に対する感受性が1000倍も低くなったことも明らかになっています。

研究のリードしたノア・ホワイトマン氏は、「遺伝子の中のたった3か所を変更するだけで、この進化したスーパーショウジョウバエを作成することができました。しかし、私にとって最も驚きだったのは、細胞株以外では不可能だった方法で進化の仮説をテストできたことです。CRISPRで種の変異を作成する能力がなければ、これを明らかにすることは困難でした」とコメントしています。

トウワタの毒素は体内のナトリウムイオンのバランスを適切に維持するメカニズムを狂わせるそうですが、オオカバマダラにはこれを回避できる突然変異が存在しています。この突然変異をショウジョウバエで再現するには、3つの遺伝子上の変更を特定の順番で起こす必要があったそうです。研究チームは最初の2つの変異がショウジョウバエの毒に対する抵抗力を与え、神経系に大きな影響をもたらしていることを発見しています。なお、最後の変異は2つの変異により起きる負の影響を相殺し、トウワタの毒素に対する耐性だけを残すことに役立っているとのこと。

今回の研究結果は「生物に起きる進化がどのように機能するかを理解することだけでなく、新しい形質や行動の進化を指示するための方法としてゲノム編集が活用できる可能性があるという重要な意味を持っている」と科学系メディアのNew Atlasは記しています。——https://gigazine.net/news/20191004-genome-editing-flies-eat-poison/

アブストラクト

適応の遺伝的メカニズムを特定するには、DNA配列の進化、表現型、および適合性間の関連の解明が必要です(1)。収束的進化は、適応形質の根底にある候補の変異を特定するためのガイドとして使用でき(2, 3, 4)、新しいゲノム編集技術は、全生物におけるこれらの変異の機能検証を促進しています(1, 5)。

私たちは、これらのアプローチを組み合わせて、独立して進化し、強心配糖体毒素を産生する植物にコロニーを形成する、オオカバマダラ(Danaus plexippus)を含む、6つの状態からの昆虫の収束の古典的なケースを研究しました(6, 7, 8, 9, 10, 11)。これらの昆虫の多くは、強心配糖体の生理学的標的である(12)、ナトリウムポンプ(Na+/K+ -ATPase)のαサブユニット(ATPα)で並列したアミノ酸置換を進化させました(7, 8, 9, 10, 11)。

ここでは、強心配糖体の特殊化に関連するATPαで、繰り返し変化する3つのアミノ酸部位(111、119、および122)を含む変異経路について説明します(13, 14)。そしてここで、キイロショウジョウバエのネイティブAtpα遺伝子でCRISPR–Cas9塩基編集を実行し、モナーク系統を横断して取られた変異経路を追跡しました(11, 15)。

私たちは、生体内、試験管内、シリコン内(コンピュータを用いて)で、経路が強心配糖体に対する耐性と標的部位非感受性を付与したことを示し(16)、オオカバマダラと同じくらい強心配糖体に対して非感受性であったトリプルミュータント「モナークフライ」に到達しました。

「モナークフライ」は変態を通じて少量の強心配糖体を保持し、これはオオカバマダラにおいて捕食者を抑止するために最適化された特性です(17, 18, 19)。置換が進化した順序は、エピスタシスを介した拮抗的な多面発現の改善によって説明されました(13, 14, 20, 21, 22)。

私たちの研究は、オオカバマダラがどのようにして植物毒素に対する耐性を進化させ、最終的には受け入れ難くなり、生態学的コミュニティ内の種の相互作用の性質を変化させるかを明らかにしています(2, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 15, 17, 18, 19) 。

参照資料

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