最小限のゲノムを持つ細菌がどのように進化するかを研究

2023年11月28日 15:46

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人生は道を切り開く

イグナシオ・ロペス＝ゴーニ著
27/11/2023
最小限のゲノムを持つ細菌がどのように進化するかを研究

https://microbioblog.es/la-vida-se-abre-camino

進化の歴史が教えてくれたことは、生命は封じ込めることができないということだ。生命は自由になり、新しい領域に広がり、苦しまぎれに、危険でさえも障壁を突破する。1993年のSF映画『ジュラシック・パーク』でジェフ・ゴールドブラムが演じたイアン・マルコムの言葉。

細胞では、時間の経過とともにゲノムに変化や突然変異が蓄積され、それが有利であれば選択されて子孫に受け継がれる。時間の経過とともに、細胞は新しい機能を獲得したり、新しい環境に適応したりする。遺伝的可変性と自然選択は、細胞進化の基礎である。進化が "機能 "するためには、細胞が "冗長 "あるいは余分なゲノムの部分を持っていることが必要である。細胞の生存に不可欠な遺伝子は維持され（不可欠な遺伝子に変異が生じると、細胞にとって致命的となる）、一方、不可欠ではないゲノムの他の部分は、変異や進化の源として機能することができる。これが進化と自然淘汰の仕組みだと、私たちは考えていた。

生命と進化はどちらが先なのだろうか？

現在、研究者たちは、現存する最小のゲノムを持つ、元となった細胞と比較して最小に改変された細胞が、進化の力にどのように対処するかを研究している。どのように対処したのか見てみよう。

数年前、カリフォルニアにあるJ.クレイグ・ベンター研究所の研究者たちは、最初の最小細菌ゲノムを設計し合成した。彼らが使用したのはマイコプラズマ・マイコイデスという細菌で、牛や小型反芻動物の病原体であり、呼吸器疾患の原因となる。マイコプラズマ属は非常に小さな細菌（0.2〜0.3ミクロン）で、細胞壁を持たず、ゲノムも非常に小さい。この研究では、マイコプラズマ・マイコイデスの天然ゲノムの901遺伝子のうち47％が除去され、ゲノムは細胞の自律的な生命維持に必要な最小限の遺伝子群に縮小された。M.マイコイデスJCVI-syn3Bと改名されたこの細菌の人工最小ゲノムは、473遺伝子で、自由な自律生活を営む生物の最小ゲノムである。つまり、遺伝子が1つ少ないだけで、この細菌はもはや増殖できないのである。したがってM. mycoides JCVI-syn3Bは、M. mycoidesという細菌の最小化された合成バージョンなのである。興味深いことに、これら473個の遺伝子のうち149個は生物学的機能が未知であった（参考までに、枯草菌や大腸菌のような他の細菌には4000から5000個の遺伝子がある）。

M.マイコイデスJCVI-syn3Bは実験室の条件下で増殖し分裂することができたが、研究者たちは、最小限のゲノムを持つこの人工細胞が、時間の経過とともに進化にどのように対応するかを知りたかったのである。前述したように、ゲノムのすべての遺伝子は必須であるため、ほとんどの変化や突然変異は必須機能に影響を及ぼし、原理的には致死的となる。この最小限の細胞には突然変異の余地がなく、進化する能力が制限されると考えられる。この最小限の微生物は、理論的には適応能力が非常に低いはずである。しかし、この生物を何世代にもわたって繁殖させたらどうなるだろうか？時間の経過とともに、いくつかの突然変異が選択され、適応能力は向上するだろうか？

すべては終わった。研究者たちはM. mycoides JCVI-syn3Bを2,000世代にわたって進化させ、何が起こるかを調べた（計算したところ、細菌の2,000世代は人類の進化の約40,000年に相当するという人もいる）。そして何が起こったかというと、「たくさん」起こったのである。進化的に不変と思われることのひとつは、ゲノムサイズが小さいほど突然変異率が高くなることで、M. mycoides JCVI-syn3Bはこれまでに測定された中で最も高い突然変異率を示した。これは実際に理にかなっている。というのも、その合成に至る過程で、DNA複製のエラーを修正し、突然変異を修復するのに必要な遺伝子が取り除かれたからである。

さらに、M. mycoides JCVI-syn3Bの変異の80％は点変異、つまり一塩基の変化であった。しかし、M. mycoides JCVI-syn3Bの最小細胞は、前駆細胞とは異なり、グアニンからシトシン、アデニンからチミンへの変化を好んだ（対照的に、オリジナルのM. mycoidesでは、変異はシトシンからグアニン、チミンからアデニンという逆方向である）。

2,000世代後の細胞と最初の細胞を比較したところ、最小限のM. mycoides JCVI-syn3B細胞は約40％早く適応したが、最終的にはオリジナルのM. mycoidesと同じレベルになった。ゲノムを単純化しても、適応できないほど細胞が弱体化することはなかったようだ。変化したのは、脂質生合成に必要ないくつかの遺伝子で、これは細胞膜の変化に関係しているのかもしれない。

ゲノムの制限は細胞サイズに影響を及ぼすかもしれない

もうひとつの重要な変化は細胞の大きさである。オリジナルのM.マイコイデス細胞は2,000世代にわたって直径が85％、体積が10倍に増加したのに対し、最小のM.マイコイデスJCVI-syn3B細胞は実験を通して大きさが変わらなかった。サイズが大きくなると、タンパク質、脂質、栄養素を貯蔵するスペースが増えるが、表面と体積の比率が悪化し、細胞内外への栄養素の輸送が難しくなる。最小限の細胞では、より大きな細胞を作るのに十分な栄養素を輸送することができないかもしれない。

最小細胞のゲノムが減少すれば、何世代にもわたって絶滅することになると思うかもしれない。しかし、そのようなことは起こっていない。基本的な細胞機能が長期にわたって維持されることは、そのような最小細胞をバイオテクノロジーに利用する際に重要である。実験室での長期間の成長（2,000世代）にわたる自然淘汰が、ゲノム減少による有害な影響を補ったのである。このように、細胞ゲノムは必要不可欠なものまで単純化することができるが、それでも進化は止まらない。最小限の合成細胞は、通常の細胞と同じ速さで進化することができる。このことは、生き残るために必要な最小限の遺伝子しか持たない人工ゲノムを持つ生物であっても、適応しようとする驚異的な能力を示している。

この記事を読んで、私は親友との会話を思い出した。私は迷うことなく「進化」と答えた。進化なくして生命は存在しない。この記事を読んだ後、私は疑問に思った。

最小細胞の進化 R.Z.モガー＝ライシャー、他『ネイチャー』誌。2023. 620:122-127.

最小細菌ゲノムの設計と合成。Clyde A. Hutchison III, et al. 2016. 351(6280).

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進化ゲノム最小ゲノムマイコイデス
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