私たちの体を形作る設計図、遺伝子。そのほとんどは、はるか昔から存在し、多くの生物種で共有されているものです。しかし、中にはつい最近、これまで何もコードしていなかったDNA領域から、まるで無から生まれるように出現した「新しい遺伝子」が存在することをご存知でしょうか？この「de novo（デノボ）遺伝子」と呼ばれる新参者の遺伝子が、どのようにして生命活動のネットワークに組み込まれ、機能し始めるのかは、進化生物学における大きな謎の一つでした。
この度、ロックフェラー大学の研究者たちが、約10年にわたるショウジョウバエの研究を通じて、この謎に満ちたde novo遺伝子の制御メカニズムを初めて解明しました。この画期的な発見は、生命の進化の謎を解き明かすだけでなく、がんなどの疾患研究にも新たな光を当てるものとして注目されています。
新しい遺伝子と、古くからの疑問
ほとんどの遺伝子は古代から存在し、種を超えて共有されています。しかし、遺伝子のごく一部は比較的新しく、かつては何も情報をコードしていなかったDNA領域から自然発生的に出現したものです。今回、ロックフェラー大学の研究者たちは、ショウジョウバエでこれらの遺伝子を約10年間追い続けた結果、これらのde novo遺伝子がどのように制御されているかを発見しました。『Nature Ecology & Evolution』誌と『PNAS』誌に掲載された2つの補完的な研究で、研究チームは転写因子とゲノム上の隣接遺伝子が、これらの新しい遺伝子のスイッチを入れ、細胞内のネットワークに統合する仕組みを明らかにしました。これは、その主要な制御因子を特定した初めての研究となります。これらの発見は、新しい遺伝子がどのように機能的になるかに光を当てるものであり、進化生物学や遺伝子制御、そしてそれらの機能不全から生じる疾患の理解に広範な示唆を与えます。
「de novo遺伝子の制御について知れば知るほど、遺伝子発現と制御そのものに関する情報が増えていきます」と、ロックフェラー大学の進化遺伝学・ゲノミクス研究室を率い、両論文の責任著者であるリー・ジャオ博士（Li Zhao, PhD）は語ります。「これは進化生物学にとって重要なだけでなく、急速な遺伝子制御異常と関連するがんのような疾患の研究にとっても重要です。」
ジャオ博士が8年前に自身の研究室を立ち上げたとき、de novo遺伝子の存在は発見されたばかりでした。ジャオ博士がこれら何百もの謎めいた遺伝子の特定を始めると、1981年のノーベル賞受賞者であり、ロックフェラー大学の名誉学長でもあるトルステン・ウィーゼル博士（Torsten Weisel, PhD）が、彼女の研究に個人的な関心を寄せました。昼食を共にしている際、ウィーゼル博士は彼女に、発見しつつあるde novo遺伝子がどのように制御されているのかと尋ねました。「私は唖然としました」とジャオ博士は振り返ります。「私たちはそれについて何も知らなかったのです。それは、気軽な会話の中で尋ねられた、私が考えもしなかった質問でした。私は彼に、まだその問いには答えられないこと、そしていつ答えられるようになるかもわからない、と伝えました。」
しかし、その種は蒔かれました。ジャオ博士はde novo遺伝子のカタログ化を続けながら、それらがどのように発現するのかを解明する可能性を探り始めました。技術は進歩し、新しい計算手法によって、彼女のチームはどの転写因子が特定の遺伝子を制御しているかを推測できるようになりました。ジャオ博士の研究室はまた、多くのde novo遺伝子が発現しているショウジョウバエの精巣に、シングルセルシーケンシング技術を応用する方法も最終的に見つけ出しました。「私たちはついに、何年も前に投げかけられた問いに答えるための、遺伝学的および計算科学的基盤を手に入れたのです。」
2025年7月14日に発表された『Nature Ecology & Evolution』誌の論文では、研究チームは転写因子がde novo遺伝子をどのように制御するかに焦点を当て、主要な制御因子として機能する3つの因子を発見しました。数十万個の細胞にわたる遺伝子発現を分析した結果、彼らは、転写因子のうちわずか約10%が、大多数のde novo遺伝子の制御を担っていることを見出しました。ジャオ博士らは次に、これらの因子のコピー数が異なるショウジョウバエを作製し、RNAシーケンシングを行ってその影響を観察しました。案の定、その数の変動はde novo遺伝子の発現に明確で、しばしば直線的な変化を引き起こし、それらが主要な制御因子としての役割を担っていることを裏付けました。この論文のタイトルは「Gene Regulatory Networks and Essential Transcription Factors for De Novo-Originated Genes（de novo 由来遺伝子の遺伝子制御ネットワークと必須転写因子）」です。
2025年4月30日に発表された『PNAS』誌の論文では、研究者たちはde novo遺伝子のゲノム上の近隣環境に注目しました。彼らは、これらの若い遺伝子が、進化的に古くから確立されている近隣の遺伝子と共制御されているかどうかを調査しました。遺伝子発現パターンとクロマチンのアクセス可能性データを分析することにより、彼らはde novo遺伝子が隣接する遺伝子と制御エレメントを共有していることが多いことを発見し、共制御のメカニズムを示唆しました。このPNAS論文のタイトルは「Comparative Single-Cell Analysis of Transcriptional Bursting Reveals the Role of Genome Organization in De Novo Transcript Origination（転写バーストの比較シングルセル解析が明らかにする、de novo 転写物出現におけるゲノム構成の役割）」です。
「これらの論文は密接に関連しています」とジャオ博士は言います。「一方は細胞環境が新しい遺伝子をどのように制御するかについて、もう一方は遺伝子同士が互いを制御するためにどのように協力し合うかについて問いかけています。」
de novo遺伝子研究の成熟
今回の発見は、de novo遺伝子がどのように制御されているかを説明するだけでなく、そもそもde novo遺伝子がどのように形成されるのかについても光を当てるかもしれません。「これらの転写因子がde novo遺伝子の誕生を引き起こしたと断言することはできません」とジャオ博士は言います。「しかし、転写因子を操作することが重大な変化を引き起こしうることは、今や明らかです。」研究室がde novo遺伝子制御における転写因子の役割を研究し続けるにつれて、その関連性はより明確になるかもしれません。
研究室がde novo遺伝子の研究を続ける中で、ジャオ博士はまた、遺伝子ネットワークがどのように進化するのか、そしてそれらが異常をきたしたときに何が起こるのかについて、より広範な洞察が得られると期待しています。遺伝子の比較的急速な制御異常に関連する疾患の中でも、がんの研究は、進化的に若い遺伝子が出現し、制御される仕組みを説明する研究から恩恵を受ける可能性があります。そして、その進化の歴史が浅く、制御が単純であるため、de novo遺伝子は、ゲノムの残りの部分がどのように機能しているかという、より難解な問題へのアクセスしやすい窓口を提供するかもしれません。
「遺伝子の発現と制御は、私たちが考えるよりも複雑です」とジャオ博士は言います。「de novo遺伝子は、私たちが遺伝子発現と進化をより良く理解するのに役立つ、単純化されたモデルを提供してくれるかもしれません。」
Nature Ecology & Evolution誌掲載論文の著者。リー・ジャオ博士（Li Zhao, PhD）、ニコラス・スヴェテック（Nicolas Svetec, PhD）、ワン・ビンジュン（Bing-Jun Wang, PhD）、ペン・ジュンフイ（Junhui Peng, PhD）
[News release] [Nature Ecology & Evolution abstract] [PNAS abstract]
