タコ、イカは、それらを研究する科学者にとっても、素晴らしく奇妙な生き物である。軟体動物または甲殻類として知られる頭足類は、無脊椎動物の中で最大の神経系を持ち、瞬時にカモフラージュするなどの複雑な行動をとり、器用な吸盤をちりばめた腕など、進化的にユニークな特徴を持っている。この珍しい動物がどのようにして誕生したのかを解明するため、頭足類のゲノムが調査された。その過程で、研究者らは頭足類のゲノムが、頭足類と同じくらい奇妙なものであることを発見した。マサチューセッツ州ウッズホールにある海洋生物学研究所（MBL）、ウィーン大学、シカゴ大学、沖縄科学技術大学院、カリフォルニア大学バークレー校の研究者らは、この研究成果をNature Communications誌に新たに発表した。
共同研究者のキャロライン・アルバーチン博士（MBLヒビットフェロー）は、「大きくて精巧な脳は、これまでにも何度か進化してきた。有名な例としては、脊椎動物があり、もう一つは、軟体動物である頭足類で、大規模で複雑な神経系がどのように組み合わされるかを示す別の例として役立っている。頭足類のゲノムを理解することで、神経系を構成するのに重要な遺伝子や、神経細胞の機能についての知見を得ることができる。」と語っている。
2022年4月24日に発表されたNature Communications誌の論文では、2種のイカ（Doryteuthis pealeiiとEuprymna scolopes）およびタコ（Octopus bimaculoides）のゲノムを解析し比較した。このオープンアクセス論文は、「頭足類の進化を駆動するゲノムおよびトランスクリプトームメカニズム（Genome and Transcriptome Mechanisms Driving Cephalopod Evolution ）」と題されている。
これら3つの頭足類のゲノムの配列決定、およびそれらの比較は、Grass Foundationの資金提供により、世界中の研究所で数年にわたり行われた力作である。
「この新しい研究の最大の進展は、おそらく3つ以上の頭足類ゲノムの染色体レベルのアセンブリを提供したことで、その全てがMBLでの研究に利用可能だ。」 と、共著者のシカゴ大学神経生物学および生物学・解剖学教授のクリフトン・ラグズデール博士は述べている。
アルバーチン博士は、「染色体レベルのアセンブリによって、ゲノムが断片化されていないため、どのような遺伝子が存在し、その順序がどうなっているかを、より精密に調べることができた。だから、今、我々は、これらの遺伝子の発現を駆動しているかもしれない制御要素を研究し始めることができる。」と語っている。
最終的に、両者のゲノムを比較した結果、軟体動物である頭足類の新規形質の進化は、次の3つの要因によって部分的に媒介されているという結論に達した。
- 進化の初期段階における頭足類のゲノムの大規模な再編成
- 特定の遺伝子ファミリーの拡大
- メッセンジャーRNA分子の大規模な編集（特に神経系組織）
最も顕著なのは、頭足類のゲノムが「信じられないほど混乱している」ことだと、アルバーチン博士は述べている。
2022年4月21日に発表された関連研究（Schmidbaur et al.）で、この研究チームは、Euprymna scolopes squidの高度に再編成されたゲノムがどのように遺伝子発現に影響を与えるかを探った。研究チームは、ゲノムの再編成により、大型で精巧な神経系を含む頭足類の新規組織の多くを作るのに関与していると考えられる新たな相互作用を発見した。このオープンアクセス論文は「大規模なゲノム再編成による新規頭足類の遺伝子制御と発現（Emergence of Novel Cephalopod Gene Regulation and Expression Through Large-Scale Genome Reorganization）」と題されている。
「多くの動物において、ゲノム内の遺伝子秩序は、進化の過程で保存されてきた。しかし、頭足類では、ゲノムの再編成が一気に進んだ。つまり、遺伝子がゲノムの新しい場所に配置され、新しい制御因子が遺伝子の発現を駆動しているのだ。それは、新しい形質が進化するための機会を作り出すかもしれない。」と、アルバーチン博士は語っている。
頭足類のゲノムのどこがすごいのか？
今回の研究で得られた頭足類のゲノムに関する主な知見は以下の通りだ。
ゲノムが大きい。Doryteuthisゲノムはヒトゲノムの1.5倍であり、タコゲノムはヒトゲノムの90%の大きさである。
スクランブル化されている。ラグズデール博士は、「ヒトにつながる脊椎動物の進化における重要な出来事には、2回の全ゲノム複製が含まれている。この新しい研究で、軟体動物である頭足類の進化にも、同様に大規模なゲノムの変化があったことが分かっているが、その変化は、全ゲノムの複製ではなく、まるで祖先のゲノムをミキサーにかけたような、巨大なゲノム再配列なのだ。」「この新しい情報によって、我々は、頭足類と脊椎動物が共有している重要なユニークな特徴、特に、不釣り合いに大きな脳を持つ大きな体の能力の背景に、どのように大規模なゲノムの変化があるのかを問い始めることができる。」と語っている。
驚くべきことに、3つの頭足類のゲノムは、他の動物と比べても、互いに高度に再配列されていることが判明した。
「タコとイカは約3億年前に互いに分岐したため、両者が全く別の進化の歴史を歩んできたように見えるのは当然だ。このエキサイティングな結果は、頭足類のゲノムの劇的な再配列が、イカとタコの進化に重要だった新しい遺伝子オーダーを生み出したことを示唆している。」とアルバーチン博士は語っている。
それらは新規遺伝子ファミリーを含んでいる。研究チームは、頭足類に特有の新規の遺伝子ファミリーに属する数百の遺伝子を特定した。他の動物に共通する古代の遺伝子秩序の一部が、これらの新しい頭足類遺伝子ファミリーに保存されている一方で、遺伝子の制御は非常に異なっているようである。これらの頭足類特異的遺伝子ファミリーのいくつかは、イカの脳を含む頭足類特有の特徴で高度に発現している。
ある種の遺伝子ファミリーは、異常に拡大している。「そのエキサイティングな例がプロトカドヘリン遺伝子だ」と、アルバーチン博士は述べている。「この遺伝子ファミリーは、ハエや線虫とは異なり、頭足類と脊椎動物が独立してプロトカドヘリンを重複して持っている。この重複は、おそらく、脊椎動物と頭足類の大きく複雑な神経系の独立した進化に関与する、豊かな分子フレームワークをもたらした。」
研究チームは、イカのくちばしや吸盤を作るのに関わる遺伝子のような、種特異的な遺伝子ファミリーの拡大も発見している。「これらの遺伝子ファミリーのいずれも、タコでは見つからなかった。つまり、これらの別々のグループの動物が、その新しい生物学を達成するために、新しい遺伝子ファミリーを考え出したのだ」と、アルバーチン博士は語っている。
RNA編集：新しさを生み出すもうひとつの矢
MBLの先行研究から、イカやタコは非常に高い確率でRNA編集を行っており、それによって生成できるタンパク質の種類が多様化することが明らかになっている。今回、アルバーチン博士らは、この発見の続編として、Doryteuthis の 26 の異なる組織の RNA を配列決定し、異なる組織間での RNA 編集率を調べた。
「我々は、タンパク質の配列を変えるRNA編集が、神経系、特に脳と大繊維葉に限定されるという非常に強いシグナルを発見した 。異なる組織にまたがるこの編集カタログは、編集の効果について追試するための資源となる。例えば、温度やその他の環境要因の変化に適応するためにRNA編集が行われているのだろうか？ゲノム配列とともに、RNA編集部位と編集速度のカタログがあれば、今後の研究が大いに促進されるだろう。」とアルバーチン博士は語っている。
なぜこれらの頭足類が研究の対象に選ばれたのか？
この3種の頭足類は、科学研究における過去と未来の重要性を考慮して研究に選ばれた。「ゲノムを解読することで、その動物について多くのことが分かるし、ゲノムは今後のあらゆる調査にとって重要なツールキットになる」とアルバーチン博士は語っている。
その理由は以下の通りである。
- 大西洋産のロングフィン・インショア・イカ（Doryteuthis pealeii）。 このイカについては、MBLをはじめとする1世紀近い研究により、神経伝達の基本原理が明らかにされてきた（中にはノーベル賞を受賞した研究もある）。しかし、このよく研究されているイカのゲノム配列の報告は今回が初めてである（アルバーチン博士ら、Grass Foundationの助成による）。2年前、MBLのチームは、予備的なゲノム配列データとCRISPR-Cas9ゲノム編集を駆使し、Doryteuthis pealeiiを用いて頭足類で初の遺伝子ノックアウトに成功した。
- ハワイ産のボブテイルイカ（Euprymna scolopes）。光り輝く細菌がイカのユニークな「光器官」の中に住みつき、互いに利益を得ている。この種は、動物-細菌共生や発生に関する研究のモデルシステムとなっている。2019年にE. scolopesのゲノムアセンブリのドラフトが発表された。
- カリフォルニア・ツースポット・オクトパス（Octopus bimaculoides）。科学研究のブロックでは比較的新参者であるこのタコのゲノムは、これまでに配列が決定された最初のものだ。アルバーチン博士は、2015年にそのドラフトゲノムを発表したチームの共同リーダーを務めた。
共同執筆者について
Albertin et al.論文の共著者には、海洋生物学研究所（アルバーチン博士、ジョシュア・ローゼンタール博士）、カリフォルニア大学バークレー校、ウィーン大学、広島大学、シカゴ大学、ハドソンアルファ生物工学研究所、沖縄科学技術研究所、Chan-Zuckerberg Biohubの科学者が含まれている。
Schmidbaur et al.論文の共著者には、ウィーン大学、ウィーン分子病理学研究所、フランシス・クリック研究所、ウィーン動物園、フロリダ大学、海洋生物学研究所、コネティカット大学の科学者が含まれている。
BioQuick News：Octopus and Squid Genome Studies Reveal How Cephalopods’ Unique Traits Evolved
[News Release] [Nature Communications article (Albertin et al.)] [Nature Communications article (Schmidbaur et al.)]
