メソアメリカの先住民文化において数世紀にわたって深い意義を持ってきた「マジックマッシュルーム」として俗に知られるPsilocybe菌類は、1960年代と1970年代に幻覚成分として広く世界の注目を集めた後、現在、これらは悪名高いキノコとして社会問題視されています。一方でPsilocybeのほぼ全種に見られるサイコアクティブ化合物であるシロシビンとシロシンは、PTSD、うつ病、終末期ケアの緩和などの条件の治療に有望であることが示されています。シロシビンを治療薬として利用するためには、この化合物の遺伝学と進化の包括的なロードマップが必要ですが、その情報は存在しません。われわれが持っている限られた知識は、約165種類とされるPsilocybeのごく一部の研究から来ています。ほとんどのシロシビン生成キノコは、発見されて以来研究されていませんでしたが、やっと研究が進みました。
ユタ大学とユタ自然史博物館（NHMU）の科学者が率いる研究チームは、Psilocybe属の最大のゲノム多様性研究を完成させました。52個のPsilocybe標本のゲノム解析には、これまでにシーケンスされたことのない39種が含まれています。
著者らは、Psilocybeが以前に考えられていたよりもはるかに早く、約6500万年前、恐竜を絶滅させた小惑星が大量絶滅イベントを引き起こした頃に出現したと結論付けました。シロシビンは、Psilocybe属のキノコで最初に合成され、4000万年から900万年前に他のキノコに4〜5回の可能性のある水平遺伝子移動があったと確認しました。
彼らの分析は、シロシビンを生産する遺伝子クラスタ内に2つの異なる遺伝子順序を明らかにしました。2つの遺伝子パターンは属内の古代の分裂に対応しており、進化史上においてシロシビンの2回の独立した獲得を示唆しています。この研究は、サイコアクティブタンパク質の合成を支える遺伝子配列内にこのような強い進化的パターンを明らかにした最初のものです。
「もしシロシビンがこのような驚異の薬物であることが判明した場合、その効果を向上させる治療法を開発する必要があります。それがすでに自然界に存在するとしたらどうでしょうか？これらの化合物の多様性は膨大です。それらがどこにあるのか、どのように作られているのかを理解するためには、このような分子作業を行い、生物多様性を私たちの利益のために使用する必要があります。」と、NHMUの菌類学のキュレーターであり、研究の上級著者であるブリン・デンティンジャー博士は述べています。
研究のすべてのPsilocybe DNAは、世界中の博物館コレクションからの標本から来ています。52個の標本のうち23個が「タイプ標本」であり、これは種を指定するためのゴールドスタンダードであり、他のすべてのサンプルが測定されるものです。たとえば、あなたが野生のキノコをある種のシャンピニオンとして同定した場合、あなたが選んだキノコが博物館の箱に入っている物理的な資料と同じであると賭けています。著者らのタイプ種に対する分子作業は、分類学におけるPsilocybeの多様性に関するすべての将来の作業のための権威ある基盤を確立するという点で、菌類学への大きな貢献です。
「これらのタイプ標本は、DNAについて考える前から多様性を文書化するために数千の科学者の集団的な努力の数百年を代表しています。それは素晴らしいことです。これまでにこの規模でタイプ標本をシーケンスしたことは本当になく、今では人々が比較するためのPsilocybeタイプのゴールドスタンダードに分子およびゲノムデータを提供することができます。」と、ユタ大学の博士研究員であり、研究の主著者であるアレクサンダー・ブラッドショー博士（Alexander Bradshaw, PhD）は言います。
この研究は2024年1月9日にPNASに掲載されました。論文のタイトルは「Phylogenomics of the Psychoactive Mushroom Genus Psilocybe and Evolution of the Psilocybin Biosynthetic Gene Cluster.（サイコアクティブキノコ属Psilocybeの系統ゲノミクスとシロシビン生合成遺伝子クラスタの進化）」です。
以前の研究では、シロシビンを生産する4つのコア遺伝子のクラスターが、3種のPsilocybeのゲノム解析に基づいて特定されました。これらの種は互いに密接に関連しており、すべてがシロシビン生産遺伝子クラスタ内に一致する遺伝子パターンを持っていました。この研究によるPsilocybeの52標本の拡張ゲノミクスは、第二の異なるパターンを明らかにしました。
「この作業は、広範な種のサンプリングを含む最初のものであり、タイプ標本に基づいているため、Psilocybeにおける進化関係の理解に大きな一歩を表しています」と、グアダラハラ大学の菌類学者であり、研究の共同リード著者であるバージニア・ラミレス・クルス博士は述べています。
著者たちは、17個の標本が元の順序を持ち、35個が新しいパターンを示していることを発見しました。
「ここでは、時間の経過とともに遺伝子の順序に多くの変化があったことを示しており、それはバイオテクノロジーのための新しいツールを提供します。シロシビンと関連化合物を生産する遺伝子を発現させる方法を探している場合、もはや1セットの遺伝子配列にのみ依存する必要はありません。今では、科学者がさまざまな特性や効率性を探るために検討できる膨大な多様性があります」と、ユタ大学の生物学准教授でもあるデンティンジャー博士は述べています。
群のデートによると、2つの遺伝子クラスターパターンの古代の分裂は約5700万年前に起こったことが示され、それはまた生態学的な変化にも対応していました。最初のシロシビン生成キノコは、木材を分解するグループとして出現した可能性が高く、その後、分裂後に土壌へと移行しました。一部の種、例えばPsilocybe cubensisは、草食動物の糞に生えるように移行しました。糞への生態学的移行は、彼らの進化史において少なくとも2回独立して発生したようです。
シロシビンはキノコにとって何をするのか？
著者たちは、シロシビンの進化史が最も基本的な質問を明らかにすることを望んでいました—シロシビンはキノコにとって何をするのか？シロシビン生成遺伝子クラスタはおそらく何らかの利益をもたらしますが、それが何であるかは誰にもわかりません。
シロシビンの分子構造はセロトニンを模倣し、特に多くのサイケデリック薬物が結合する有名な受容体である5-HT2Aに強く結合します。これらの受容体、および昆虫やクモ類における類似の受容体に化学物質が結合すると、それらは非自然で変更された行動を生み出します。この変更された精神状態は、捕食を直接的に抑止するものである可能性が提案されています。また、シロシビンは下剤として機能するか、完全に消化される前に胞子を広げるために嘔吐を誘発する可能性があります。しかし、シロシビンキノコは野生ではしばしばまれにしか発生しないため、動物がそれらを認識することを学ぶことはほとんどありません。代替理論として、シロシビンは昆虫に対する化学的防御である可能性があります。しかし、実証的な研究は不足しており、著者たちの個人的な観察は、シロシビンを含むキノコが定期的に健康で繁栄している昆虫幼虫をホストしていることを確認しています。
著者たちは、彼らがGastropod Hypothesisと呼ぶ代替理論をテストする実験を準備しています。Psilocybeの分子年数は約6500万年前であり、それは地球を残酷で長引く冬に投げ込み、全生命の80%を殺した小惑星の地質学的なマーカーであるKPg境界と一致します。暗闇と腐敗の間に繁栄した2つの生命体は、菌類と陸生の腹足類でした。化石記録を含む証拠は、腹足類が小惑星の衝突直後に大規模な多様化と増殖を経験したことを示しており、陸生のナメクジがキノコの重要な捕食者であることが知られています。Psilocybeの分子デートが約6500万年前であることから、シロシビンがナメクジ抑止剤として進化した可能性があります。研究者たちは、彼らの餌付け実験が彼らの仮説に光を当てることを望んでいます。
2020年、著者たちはすべてのPsilocybeタイプ標本のゲノムシーケンスを取得するという目標を立てました。現在までに、彼らは71のタイプ標本のゲノムを生成し、世界中のコレクションと協力を続けています。
「このような研究を行うためのコレクションの重要性を過大評価することは不可能です。私たちは、これらのコレクションを作成するために何千もの人力時間を費やした巨人たちの肩の上に立っています。そうすることで、私はメールを書いて希少な標本にアクセスを要求することができ、その多くは一度しか収集されておらず、二度と収集されることはないかもしれません」と、ブラッドショー博士は述べています。
