NASAアストロバイオロジー研究所の研究者ら、非相同末端結合（NHEJ）とレトロトランスポゾンが真核生物に進化を引き起こしたと発表

ゲノムにおける相互作用は、何十億年も前の先進的な生命の発生の原動力の1つになった可能性がある。この発見は「ジャンピング遺伝子」として知られるレトロトランスポゾンへの好奇心がきっかけになった。ヒトゲノムのほぼ半分はレトロトランスポゾンで構成されているが、バクテリアにはほとんど存在しない。

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イリノイ大学アーバナシャンペーン校（UIUC）の物理学教授でありNASAアストロバイオロジー研究所のディレクターでもあるNigel Goldenfeld博士と、元UIUC（現在はカリフォルニア大）の物理学教授であるThomas Kuhlman博士らは、これがなぜなのか疑問に思っていた。
「本当に単純に、自分のゲノムからレトロトランスポゾンを取り出し、それをバクテリアに入れて何が起こるか見てみたいと考えた。それは本当に興味深いことになった。」とKuhlman博士は語った。
彼らの成果は2018年11月19日にPNASでオンライン公開され、数十億年前に高度な生命がどのように誕生したかの謎に迫っている。また、他の惑星の生命の可能性を判断するのにも役立つ。このオープンアクセスのPNASの論文のタイトルは、「祖先真核細胞の出現のためのレトロエレメント侵入仮説のテスト（Testing the Retroelement Invasion Hypothesis for the Emergence of the Ancestral Eukaryotic Cell.）」と題されている。

研究の中で、研究者らは最初に死（細菌死）に遭遇した。細菌にレトロトランスポゾンを入れたとき、結果は致命的だった。 「彼らが飛び回って自分自身のコピーを作っていくうちに、バクテリアが生き残るために必要な遺伝子にジャンプした。それは信じられないほど致命的だ。」とKuhlman博士は語った。
レトロトランスポゾンは、ゲノム内で自分自身をコピーすると、DNAの中の一点を見つけ出し、それを切断する。 生き残るためには、生物はこの切り口を修復しなければならない。 大腸菌のような一部の細菌は、この修復を行う1つの方法しか有していないため、通常は新しいレトロトランスポゾンを除去する。 しかし、進化した生物（真核生物）には、DNAの切断を修復する別の方法を提供する非相同末端結合（NHEJ）と呼ばれる別の「トリック」がある。Goldenfeld博士とKuhlman博士は、バクテリアにNHEJを行う能力を与えれば、彼らがDNA損傷を許容するのに役立つだろうと考え、どうなるかを見極めることにした。 しかし、それは増幅時にレトロトランスポゾンをより良くし、前よりもさらに大きなダメージを与える結果となった。

「それは単にすべてを完全に殺しただけだった。」とKuhlman博士は語った。 「当時、私は何かが間違っていると思った。」
彼らは、NHEJとレトロトランスポゾンとの相互作用が以前考えられていたよりも重要であるかもしれないことに気付いた。

真核生物は、通常、よく理解されている機能を持たない他の多くの「ジャンク」DNAとともに、それらのゲノムに多くのレトロトランスポゾンを有する。 ゲノム内では、NHEJがレトロトランスポゾンがどれほど迅速に増殖するかを制御しようとするので、NHEJとレトロトランスポゾンとの間には一定の相互作用が存在しなければならない。 これにより、生物はゲノムに対してより多くの力を与え、「ジャンク」DNAの存在が重要になる。

Kuhlman博士は次のように述べている。「DNAがジャンクだらけになるにつれて、これらのピースを使い、さまざまな方法でそれらを組み合わせることができるようになる。」
「ジャンク」DNAの蓄積、レトロトランスポゾンの存在およびNHEJとのそれらの相互作用は、ゲノムをより複雑にする。 これは、ヒトのような高度な生物を、細菌のようなより単純なものと区別することができる1つの特徴である。

高度な生物は、スプライソソーム（画像）を使用することによってゲノムを管理することもできる。これは、「ジャンク」DNAを並べ替え、遺伝子を正常に戻す分子マシンだ。
スプライセソームの一部は、バクテリアの原始的なレトロトランスポゾンのグループIIイントロンに類似している。 イントロンは真核生物にも見られ、スプライセソームと共にII型イントロンから進化的に誘導される。 Goldenfeld博士は、これは進化論的な疑問を提起していると語った。
「最初に出現したのはスプライソソームかそれともII型イントロンか？明らかに、II型イントロンだ。」と彼は語った。 「それでは、真核細胞がスプライセオソームを構築するために、最初にII型イントロンを得たのはどこか？」

この研究は、II型イントロン、スプライセオソームのイントロンおよび真核生物のレトロトランスポゾンが、何らかの形で初期の真核細胞に侵入したことを示唆している。 その後、NHEJとの相互作用は、スプライソソームの出現を導く「選択圧力」を作り出した。これは数十億年前の人類の進歩を助けた。

真核生物がそれらのDNAでより多くのことを可能にすることで、スプライソソームが進歩した。 例えば、人間はほぼC. elegans（虫）と同数の遺伝子を持っているが、人間はそれらの遺伝子でもっと多くのことをすることができる。
Goldenfeld博士は、「この非常に単純なワームと人間の間には、それほど大きな違いはない。起こっていることは、人間がこれらの遺伝子を使い、C. elegansよりもはるかに複雑な機能を果たすために、それらを多くの組み合わせでマッチできるということだ。」と語った。
NHEJとレトロトランスポゾンはスプライソソームの創製に役立つだけでなく、 この研究は、遺伝物質を含むDNA分子である染色体をより高度にすることを支援した可能性があることを示唆している。 NHEJとレトロトランスポゾンとの相互作用は、円形染色体（細菌が一般的に有する）から進化した生命の別の指標である線状のもの（高度な生物が有する）への移行を助けた可能性がある。

Goldenfeld博士は、この研究の前に、多くの研究者がレトロトランスポゾンの役割を研究したが、NHEJの重要性は完全には認識されていないと述べた。 この研究は、数十億年前に、我々が今日知っている高度な生物になる真核生物において、NHEJが重要な役割を果たしたことを証明している。
Goldenfeld博士は、「これは起こった唯一の事ではないのは確かだ。しかし、それが起こらなかった場合、複雑な生命をどのように持つことができるかを知ることは難しい。」と語った。

この研究は、Goldenfeld博士が指揮するNASAアストロバイオロジー研究所が、生命が進歩するために何が起こらなければならなかったのか、という疑問に答えようとしている。この質問にもっと詳しく答えることは、科学者が他の惑星で生命の可能性を判断するのに役立つ。
「生命が他の惑星に存在するならば、それは微生物であると予想されるだろう。複雑な生命へと変わったのだろうか？ 起こらなければならないことがたくさんあるので、必然的に先進的な生命になるわけではない。」とGoldenfeld博士は語った。

物理学の観点は、これらの理論的な問題を定量化するのに役立つ。 この定量化は、本研究で行ったように、実験室で測定し、その測定値を用いて進化モデルを作成することができる。そうすることで、実験室での基本的な測定は過去へのタイムマシンになる。
「我々は実験室を進化させ、何十億年前に起こったはずの進化の過程を見ている。」とGoldenfeld博士は語った。
この研究は、NSF生細胞物理学センター、アルフレッド・P・スローン財団、およびNASAアストロバイオロジー研究所（NAI）の援助を受けて実施された。

【BioQuick News：New Work Suggests That Non-Homologous End-Joining (NHEJ) & Retrotransposons Led to Evolution of Spliceosome and Advance of Eukaryotic Life】

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