University of Vienna進化発生学者、Dr. Ulrich Technauに率いられた研究チームは、イソギンチャクのゲノム全体像がショウジョウバエその他の動物モデルのシステムによく似た複雑な調節エレメントを持っていることを突き止めた。このことは、遺伝子調節の原理は6億年前にはすでに確立しており、ヒト、ハエ、イソギンチャク共通の祖先にまで遡ることを示している。
一方で、イソギンチャクの遺伝子発現の調節がmicroRNAと呼ばれる短い調節RNAによって制御されるという面では脊椎動物や昆虫よりも植物に近いと言える。この驚くべき進化学的な発見は、2014年3月18日付Genome Researchのオープン・アクセス論文2件に紹介されている。人間の外的特徴、体形、身体機能などは環境的な影響に加えて私たちが持っている遺伝子の働きによるところが大きい。しかし、遺伝子は単一で働くことはむしろまれで、遺伝子調節ネットワークで他の遺伝子と協力したり、互いの動きや発現を調節したりするのが普通である。過去何十年か、ヒトや様々な動物のゲノムのシーケンシングが行われ、イソギンチャクのような解剖学的に単純な生命体も高等な生命体に似た驚くほど複雑な遺伝子レパートリーを持っていることが明らかにされてきた。このことは、生態学的な複雑さの違いは特定の遺伝子の存在や不在で簡単に説明できないことを示している。
そのため、研究者の中には、個々の遺伝子が複雑な身体の計画図をコード化しているのではなく、遺伝子が互いにどのように接続され、リンクされているかで決まるのではないかという仮説を立てている者もいる。そのため、単純な生命体は、ヒトや高等動物に比べてこの遺伝子のネットワークがより単純なのではないかと考えられている。遺伝子調節の複雑さは、ゲノムの調節配列の配分や密度で計ることができる。エンハンサやプロモータと呼ばれるこのようなDNAのモチーフは、特に転写調節因子を支配し、特定の時間空間パターンで標的遺伝子の発現を調整することが多い。University of Vienna, Department for Molecular Evolution and Development教授、Dr. Technauは、「ヌクレオチドの大海原でこのような短いモチーフを探す作業はささいとは言えない」と述べている。
遺伝現象を言語にたとえれば、遺伝子は単語でエンハンサやプロモータは文法に相当する。このような調節エレメントは、DNAと絡み合ったヒストンと呼ばれるタンパク質の特定の生化学的エピジェネティック修飾と関連しており、クロマチンを形成している。
Dr. Technauの研究チームの一人でHertha-Firnberg-fellowのDr. Michaela Schwaigerは、クロマチン免疫沈降と呼ばれる高度な分子的手法を用い、イソギンチャクのゲノム全体のプロモータとエンハンサを突き止め、それをもっと複雑で高度なモデル生命体の調節機構の全体像と比較することができた。
Dr. Schwaigerは、「イソギンチャクの遺伝子調節エレメント全体像は、ショウジョウバエその他のモデル動物のそれに似ており、ざっと6億年前、ヒト、ショウジョウバエ、イソギンチャクの共通の先祖がすでに複雑な遺伝子調節の原理を備えていたと信じている」と述べている。結局、遺伝子発現は私たちの体の機能エフェクターとなるタンパク質の形成につながっている。遺伝子の発現は、DNAからRNAへの転写の制御以外にも、RNAが生成された後の転写後レベルで調節することもできる。ここでmicroRNAの重要な役割が発揮される。
MicroRNAは短い調節RNAで、標的のRNAに結合してその翻訳を阻害したり、標的のRNAを切断させたりすることができる。この何年かの間に様々な動物のmicroRNAが何百種類と突き止められており、人間の場合にはその数は1000を超えている。そのうちのかなりのものが代謝活動に重要な役割を果たしており、また発達過程で不可欠な役割を担っている。特定microRNAの突然変異はがんなど重大な疾患との関連が知られている。microRNAはそれぞれシーケンスに固有の形で複数の異なるRNAに結合できる。
Dr. Technauは、「ヒトの遺伝子の30%ないし50%程度がmicroRNAによって調節されているのではないかと想定している」と述べている。しかし、動物のmicroRNAの進化的な起源はまだよく分かっていない。植物からもmicroRNAが見つかっているが、動物のmicroRNAとはシーケンスに類似性が見られないため、それぞれ別個に発生し、異なる生合成経路を経たものと考えられている。また、その挙動も動物microRNAと大きく異なっている。植物のmicroRNAは、特定シーケンスに限定された1個からせいぜい数個の標的に結合するだけで、さらに、アルゴノート・タンパク質の助けを借り、標的RNAに特定の切断面をつくる。
Dr. Technauと研究チームは、アメリカ、フランス、ノルウエーのグループとの共同研究でイソギンチャクの体から87種類のmicroRNAを分離した。
TechnauチームのDr. Yehu Moran、Dr. David Fredman、Dr. Daniela Praherの3人は、イソギンチャクのmicroRNAがすべて植物のmicroRNAの特性を備えていることを証明した。いずれも標的RNAとほぼ完全な相補性を示した。各microRNAがこれらの標的RNAに切断面をつくるのだが動物のRNAのように阻害を受けることはなかった。
また、Dr. Moranは、イソギンチャクの体から遺伝子 (HYL-1) を見つけたが、これは植物のmicroRNAの生合成には不可欠だがこれまで動物のモデル生命体からは検出されたことがない。さらに、各microRNAのシーケンスを比較すると、植物のmicroRNAに似たmicroRNAもあれば、動物のmicroRNAに似たmicroRNAもあるという結果になった。すべての証拠を考え合わせると、植物と動物のmicroRNAの進化過程での接点が示されているのではないかと考えられる。要約すると、イソギンチャクのゲノム、遺伝子レパートリー、DNAレベルの遺伝子調節などは驚くほど脊椎動物に近いが、転写後調節機能は植物的であり、おそらく植物と動物が共通の祖先を持っていた時代にまで遡るものと思われる。これは、腔腸動物と「より高等な」動物の間の定性的な違いが初めて突き止められたことになり、遺伝子調節の重要なレベルがそれぞれ別個の過程を経て進化していく姿を理解する手がかりになるものだ。画像はイソギンチャク (Nematostella vectensis) (写真提供: Copyright Nature, 2005).
■原著へのリンクは英語版をご覧ください: Sea Anemone Shows Characteristics of Both Plant and Animal in Gene Regulation
