ミトコンドリアDNAの進化への気温の影響

 取り上げるのがたいへん遅れてしまいましたが、ミトコンドリアDNA(mtDNA)の進化への気温の影響に関する研究(Lajbner et al., 2018)が公表されました。日本語の解説記事もあります。ヒトを含む多細胞生物のDNAの大部分は、細胞の核内に折りたたまれて格納されています。しかし、ごくわずかですが、ミトコンドリアと呼ばれる、細胞に必要なエネルギーを産出し、細胞内の様々な代謝を調整する細胞内小器官の中にも、DNAが収められています。核内DNAが両親からの遺伝情報を受け継ぐのとは異なり、mtDNAは母親から子へと受け継がれます。長年にわたり、この小さなmtDNAの塩基配列多型は、細胞機能に影響を与えることもなく、また自然淘汰を受けることもない、と考えられてきました。そのため、遺伝学の研究から気候変動の研究に至る多様な分野で、mtDNAは個体群や生物種間の関係や進化の過程を調べる最良のツールとして利用されてきました。

 しかし近年では、mtDNAの多型の中でも、状況によりある多型のタイプが選択される、と報告されています。この研究は、これまで考えられてきた以上にmtDNAが自然選択受けやすい、との見解を提示しています。この研究は、キイロショウジョウバエ(Drosophila melanogaster)を用いて、生息環境の気温の違いがmtDNA多型の一種の選択におよぼし得ることを示しました。これは、自然界におけるmtDNA多型の存在頻度に対する温度選択圧の影響を示唆する、初めての試みとなります。

 この研究は、オーストラリア東海岸に生息するショウジョウバエの間で見られる2種のmtDNA多型を調査しました。一方はオーストラリア北部地帯の温暖な亜熱帯性地域で一般的に見られるショウジョウバエ群で、もう一方はより寒冷な南部地帯に一般的にみられるショウジョウバエ群です。この研究は、それぞれの地域でショウジョウバエを採集し、これらの2群間で相互交配をすることで遺伝的に均一な個体群を作り、それを4つの実験群に分けました。2つの実験群はそれぞれ19℃と25℃の定温で飼育し、残りの2群は、ショウジョウバエが採集された2ヶ所の1日の気温の変化を再現した環境で飼育しました。この研究は3ヶ月経過した後、各実験群のmtDNAの塩基配列を決定しました。この研究はまた、ショウジョウバエの体内に生息する共生細菌ボルバキア(Wolbachia)の存在が、mtDNAの選択におよぼす影響も調べました。結果を区別するために、一部のショウジョウバエには抗生物質を使用し、実験前からボルバキア感染の可能性を完全に取り除きました。

 温暖な環境(25度の恒温状態)で飼育されたショウジョウバエ群では、2つのmtDNA多型のうち、一方の多型をもつ個体がもう一方の多型を持つ個体に比べて多い、と明らかになりました。このmtDNA多型は温暖な北部地域に生息するショウジョウバエに広く見られるものと同一でした。一方で、寒冷な環境(19℃の恒温状態)で飼育されたショウジョウバエ群では、寒冷な南部に生息するショウジョウバエに広くみられるmtDNA多型タイプを持つ個体が多い、と明らかになりました。しかし、これら二つの結果は、事前にボルバキア感染を抗生物質により除去したグループのみで確認されました。さらに明らかになったのは、オスのショウジョウバエで観察された多型パターンが、必ずしもメスのショウジョウバエで見られるパターンと一致するわけではない、ということでした。

 これらの結果は、気温がmtDNAの多型パターンに影響を与えることを示しています。さらに、気温のみならず、性別や微生物による感染などの要素もミトコンドリアゲノムの進化に影響し得る、と示唆しています。今後の課題として、ミトコンドリアゲノムのどの部分が気温に敏感に反応するのか特定し、さらにそのメカニズムを理解する研究が必要と指摘されています。また、今後mtDNAを遺伝的ツールとして使用するさいには、温度環境に反応して変化する可能性を考慮する必要がある、とも指摘されています。本論文刊行後の研究では、ヒトにおけるミトコンドリアへの選択圧とトレードオフ(交換)が指摘されており(関連記事)、ミトコンドリアへの選択圧は生物において一般的だった、と考えられます。また、エネルギー産生というミトコンドリアの主要な役割から、この研究が示したように、そうした選択圧はおもに気温への適応に関わっているのではないか、とも予測されます。ヒトも含めて、今後の研究の進展が期待されます。


参考文献:
Lajbner Z. et al.(2018): Experimental evidence that thermal selection shapes mitochondrial genome evolution. Scientific Reports, 8, 9500.
https://doi.org/10.1038/s41598-018-27805-3

以前の推測より複雑だったトウモロコシの栽培化

 取り上げるのがたいへん遅れてしまいましたが、トウモロコシの栽培化に関する研究(Kistler et al., 2018)が公表されました。日本語の解説記事もあります。トウモロコシはメキシコの野草テオシントが進化した栽培種で、南北アメリカ大陸全域に急速に拡散しました。古代、トウモロコシは農地のいたる所で栽培され、16世紀にヨーロッパ人が本格的にアメリカ大陸に到達した頃には、アメリカ大陸でありふれた食物源になっていました。トウモロコシがかつて栽培化されたことは広く知られていますが、その栽培化や南米での拡散の基本的な部分は依然として不明で、さらに、既存の考古学およびゲノムデータも必ずしも一致していませんでした。

 この研究は、南アメリカ大陸のトウモロコシのうち、栽培化された在来品種と考古学的試料である古代トウモロコシのゲノム配列を決定し、それらを世界各地の現代および古代のトウモロコシとテオシントの遺伝系統種と比較しました。その結果、トウモロコシの祖先は「栽培化半ばで」南アメリカ大陸に伝播した、とこの研究は推測しています。トウモロコシは、栽培化を示す遺伝的特徴が定着する前にメキシコの先祖から分離し、それらとは明らかに異なる南アメリカ大陸系統種が進化した、というわけです。一部のトウモロコシ種はその後引き続いてヒトが選択し、完全に栽培化しました。この研究は、ゲノムに関する研究結果と考古学的・古生態学的・言語学的データを組み合わせ、似てはいるものの別物である二次改良はアマゾン南西部で始まった、と推測しています。9000年前頃に現在の中央メキシコで始まったトウモロコシの栽培化は、以前考えられていたよりかなり複雑で微妙に異なるものだった、というわけです。


参考文献:
Kistler L. et al.(2018): Multiproxy evidence highlights a complex evolutionary legacy of maize in South America. Science, 362, 6420, 1309–1313.
https://doi.org/10.1126/science.aav0207

社会的行動を駆動する神経回路の生化学的影響

 社会的行動を駆動する神経回路の生化学的影響に関する研究(Demir et al., 2020)が公表されました。生物は、配偶相手と遭遇して相手を評価する可能性を高めるために、さまざまな行動戦略を進化させてきました。多くの種は、配偶者となり得る相手の位置や、性的・社会的状態についての情報を伝達するために、フェロモンを使っています。マウスでは、雄に存在する主要な尿タンパク質のダーシン(darcin)が、雌による接近を誘発し、学習を促すにおいマーカーの成分になっています。この研究は、ダーシンが誘引・超音波発声・尿マーキングを含む複雑かつ多様な行動レパートリーを誘発するとともに、学習パラダイムの強化因子としても働いていることを示しています。

 この研究は、ダーシンに対する全ての行動反応に必要な、副嗅球から発して扁桃体内側核後部に至る遺伝的に決定された回路を突き止めました。さらにこの研究が、扁桃体内側核のダーシン応答性ニューロンを光遺伝学的に活性化すると、ダーシンが誘発する生得的行動と条件付けされた行動の両方が誘発されました。これらのニューロンは、ニューロン性の一酸化窒素合成酵素を発現する地理的に分けられた細胞集団をなしています。この研究は、ダーシンで活性化するこの神経回路が、フェロモン情報を自己の内部状態と統合し、配偶相手との遭遇と配偶者選択を促す可能性のある、可変性の生得的行動と学習強化された行動の両者を誘発している、との見解を提示しています。以下は『ネイチャー』の日本語サイトからの引用です。


神経科学:フェロモンであるダーシンは生得的行動と学習強化された行動の回路を駆動する

神経科学:神経回路の生化学的影響が社会的行動を駆動する

 ダーシン(darcin)は雄の齧歯類尿中の主要タンパク質で、おそらく配偶者選択に関わっている。今回R Axelたちは、副嗅球と扁桃体を含む神経回路を明らかにし、これがダーシンに応答してこのフェロモンに関連した全応答を駆動することを示している。



参考文献:
Demir E. et al.(2020): The pheromone darcin drives a circuit for innate and reinforced behaviours. Nature, 578, 7793, 137–141.
https://doi.org/10.1038/s41586-020-1967-8

大河ドラマ『麒麟がくる』第4回「尾張潜入指令」

 1548年(西暦は厳密な換算ではなく、1年単位での換算です)春、織田軍は侵攻してきた今川軍と戦いますが、決着はつかず、織田信秀は肩に屋を受けてしまいます。斎藤利政(道三)は、体調がすぐれないと噂の信秀と懇意の望月東庵を脅迫して、信秀の状態を探らせようとします。鉄砲をまだ上手く扱いきれない明智光秀(十兵衛)は、主君の利政に命じられ、望月東庵の助手の駒を人質として、菊丸とともに尾張に潜入します。東庵に薬草を届けた光秀と菊丸は信秀の命を受けた家臣に襲撃されますが、石を投げた者たちに救われ、逃げることに成功します。東庵は、信秀がもう長くはないと見立てて、光秀からそう伝えられた利政は満足します。

 今回の注目点の一つは、信秀の人物像が描かれたことです。戦いでは利政に圧倒されてしまった信秀ですが、利政と同じくしたたかな戦国時代の領主といった感じで、キャラが立っています。望月東庵もそうですが、今のところ、本作はおおむね人物造形に成功しているように思います。ただ、駒はやや微妙なところがあり、第二の主人公という設定らしいので、多少不安は残ります。今回の注目点としては、光秀が尾張で織田の人質とされていた竹千代(徳川家康)と遭遇したことと、光秀と本能寺との因縁が若い頃からあった、との設定です。織田の家臣たちに襲撃された光秀を助けたのが誰なのか、ということも気になりますが、序盤から色々と伏線が張られているようで、楽しみです。