多くの動物群では、毒素がそれぞれ独立して発展してきました。多くの毒性種を含む動物群の一つがハチ目（Hymenoptera）で、この昆虫目にはミツバチ、スズメバチ、アリなどの針を持つ昆虫（刺胞動物）も含まれます。ハチ目は非常に種が豊富で、ミツバチだけでも6,000種以上が存在します。しかし、ハチ目の昆虫は大きな生態学的および経済的重要性を持ちながら、その毒素の進化的発展についてはほとんど知られていません。
ゲーテ大学フランクフルトの細胞生物学＆神経科学研究所の応用バイオインフォマティクスワーキンググループで現在客員研究員を務めるビョルン・フォン・ロイモント博士（Dr. Björn von Reumont）が率いる研究者らは、比較ゲノミクスを用いて、進化の過程でミツバチやその他のハチ目の重要な毒素成分がどのように発展したかを初めて体系的に調査しました。毒素は、小さなタンパク質（ペプチド）やいくつかの大きなタンパク質や酵素から構成される複雑な混合物です。刺胞動物は、特別な刺し器具を用いてこの毒性カクテルを獲物や攻撃者に積極的に注入します。
研究の第一段階で、研究者らはハチ目の毒素に最も多く含まれるペプチドやタンパク質を特定しました。これには、プロテインデータベースからの情報を参照しましたが、この情報は限られていました。さらに、彼らは野生のハナバチ2種、ムラサキヤドリバチ（Xylocopa violacea）とオオスジハリバチ（Halictus scabiosae）、そしてミツバチ（Apis mellifera）の毒素に含まれるタンパク質を分析しました。そして、分析した全てのハチ目の毒素に共通する12の「ペプチドおよびタンパク質のファミリー」が存在することを発見しました。これらは明らかにこれらの毒カクテルの「共通の成分」として存在します。
ライプニッツ生物多様性変化分析研究所（LIB）、ミュンヘン工科大学（TUM）、そしてLOEWE翻訳生物多様性ゲノミクスセンター（LOEWE TBG）の同僚と協力して、研究チームは、32種のハチ目の昆虫、汗蜂や無刺蜂だけでなく、スズメバチやアリ（例えば、有名な火アリ、Solenopsis invicta）のゲノムにこれら12のペプチドとタンパク質のファミリーの遺伝子を探しました。これらの遺伝子の違い、場合によっては遺伝コードの単一の文字の交換が、科学者たちに異なる種の遺伝子間の関係を決定するのに役立ち、後に人工知能と機械学習の助けを借りて、毒素遺伝子の系統をまとめることができました。
驚くべき結果として、分析された多くの毒素遺伝子は全てのハチ目に存在していることが明らかになりました。これは、全てのハチ目の共通祖先がすでにこれらの遺伝子を持っていたことを示しています。「このことから、ハチ目は一群として毒性を持つ可能性が非常に高い」とフォン・ロイモント博士は結論付けています。「他の群については、例えばヘビ、アングイド（トカゲ類）、イグアニアを含むToxicoferaでは、毒素が共通の祖先に遡ることができるのか、それとも別々に進化したのかについて、科学界はまだ議論しています。」
ハチ目内では、ミツバチ、スズメバチ、アリだけが実際に毒を注入するための針を持っています。対照的に、進化的に古い寄生性のハチ、例えばノコギリバチは、卵管を使用して、宿主植物の生理を変化させる物質を注入します：例えば、スズメバチ（Sirex noctilio）は、植物に菌を導入するだけでなく、研究で調査された毒素タンパク質の自身の毒カクテルも導入します。これらのタンパク質の目的は、幼虫にとって適切な条件を植物内に作り出すことです。「これは、スズメバチもまた毒性を持つと分類されるべきだ」とフォン・ロイモント博士は言います。
ミツバチの新しい毒素成分には、ペプチドのメリチンの遺伝子と、新しく記述されたタンパク質ファミリーのアントフィリン-1の代表の遺伝子があります。メリチンがたった一つの遺伝子によってコードされているという事実は、研究者らにとって驚きでした。フォン・ロイモント博士は説明します：
「メリチンの異なるバリアントが多数存在するだけでなく、ペプチドはミツバチ毒の乾燥重量の最大60％を占めるため、科学界では以前多くの遺伝子コピーが存在すると考えられていました。しかし、これをはっきりと否定することができました。」メリチン遺伝子がミツバチでのみ見つかったため、研究者らはまた、それが刺胞動物に特有とされる毒遺伝子グループであるアクレアトキシンに属するという仮説も無効にしました。フォン・ロイモント博士は確信しています：「これは、毒遺伝子の進化についての意味のある結論を導く唯一の方法がゲノムデータであることを再び私たちに示しています。」
フランクフルトの研究は、約100万種の昆虫群全体において、毒遺伝子がどこから起源し、どのように発展したかを初めて示したものです。この研究は、ハチ目の祖先の毒遺伝子の進化をたどり、グループ内の特殊化を追うための出発点を提供します。しかし、大規模な比較ゲノミクスを行うためには、部分的に非常に大きなタンパク質ファミリーの分析方法をまず自動化する必要があります。
この新しい研究は、2023年10月23日にBMC Biologyに掲載されました。オープンアクセスの論文のタイトルは「普遍的なミツバチ毒遺伝子は針と社会性が進化する前に発展した」（Prevalent Bee Venom Genes Evolved Before the Aculeate Stinger and Eusociality）です。
