スポンジ遺伝子はニューロンや他の細胞の起源を示唆する

2000年代初頭に初めて海綿動物のゲノムが解読された際、研究者たちは海綿動物がヒトや他の複雑な生物とほぼ同数の遺伝子を持つだけでなく、多くの同じ遺伝子を持っていることに驚きました。海綿動物は動物の進化系統において最も初期に分岐した系統の一つであり、その単純な体には対称性や決まった数の部位さえ存在しません。これらの遺伝子の存在は、筋収縮やニューロンの分化といった機能に関する遺伝情報が、筋肉や神経系そのものよりもはるかに古い時代から存在していたことを示唆していました。

しかし、ニューロンも筋肉もない動物において、これらの遺伝子は何をしているのでしょうか？研究者たちは、経験に基づいた推測をしながら、遺伝子一つ一つを丹念に調べ、発現パターンを調べることしかできませんでした。

しかし今日、ゲノム技術の急速な進歩を活用した新たな研究により、淡水海綿動物Spongillaにおいて約26,000個の遺伝子がどこで発現しているかが明らかになりました。この遺伝子発現アトラスは、海綿動物の体全体にわたる細胞型の遺伝子構成を明らかにしており、その中にはこれまで記載されていなかった細胞型も含まれています。これは、細胞型がそもそもどのように進化したのかについての重要なヒントを提供し、ニューロンが一度だけ進化したのか、それとも複数回進化したのかという長く難解な議論に決着をつける一助となる可能性があります。この研究は、Science最新号に掲載されています。

デンバー大学で海綿動物の進化を研究するスコット・ニコルズ氏によると、この野心的な論文は従来の研究を「飛躍的に進歩」させるものだという。「このデータセットから実に興味深い仮説が浮かび上がってきたのは、まさに驚くべきことです」とニコルズ氏は述べた。「しかし、これらの仮説は実験的に検証する必要があることを強く強調しておきたいと思います」

最も興味深い仮説は、カイメンの消化室内の細胞に関するものです。消化室内は、襟状突起（微絨毛）と鞭毛を持つ襟細胞と呼ばれる特徴的な細胞で覆われています。襟細胞は鞭毛を振って消化室内の水の流れを調節し、同時に水に含まれる微粒子やゴミを餌としています。消化室内には、何年も前に発見されたものの、その正体と機能は謎に包まれていた可動性の「神経細胞」も存在します。

ハイデルベルクにある欧州分子生物学研究所のデトレフ・アーレント率いる研究チームは、ハイスループット単一細胞RNAシーケンシング技術を用いて、襟細胞がニューロンにおいて神経伝達物質の受信と反応に関わるシナプス後層の「足場」を形成する遺伝子を発現することを発見しました。また、移動性ニューロイド細胞が、ニューロンのシナプス前球で典型的に活性化する一連の遺伝子を発現していることも発見しました。このことから、研究者たちは、ニューロイド細胞が襟細胞と対話している可能性、そしてニューロイド細胞の役割は消化室内の微生物環境をパトロールし、それに応じて襟細胞の摂食行動を制御することにあるという仮説を立てました。

このプロジェクトを率いたアーレント研究室のポスドク研究員、ヤコブ・ムッサー氏がスポンジを染色し、シナプス前遺伝子とシナプス後遺伝子が正確にどこで発現しているかを調べたところ、シナプス前遺伝子を発現しているニューロイド細胞が、シナプス後遺伝子を発現している襟細胞の近くに位置していることがわかりました。実際、ニューロイド細胞は偽足を伸ばし、襟細胞に触れるように見えました。

「これは明らかに非常に魅力的でした」とマッサー氏は言った。「しかし、何が起こっているのかは実際には分かりません。」

細胞の活動をより詳細に把握するため、マッサー氏と研究チームはハンブルクのX線シンクロトロン施設にある集束イオンビーム電子顕微鏡を用いて、細胞の非常に高解像度の3D画像を取得しました。この画像では、折り畳まれたタンパク質の多くとほぼ同じ大きさの15ナノメートルという微小な細胞の特徴を識別できました。研究チームは、神経様細胞からの突起が襟細胞の微絨毛環と鞭毛を包み込み、神経様細胞がニューロンのシナプス前球にあるような小胞を保持していることを観察しました。研究チームは、これらの小胞が神経伝達物質であるグルタミン酸を放出しているのではないかと推測しています。

これらの海綿動物が原始的なシナプスを持っていると想像するのは魅力的だが、研究者たちは神経様細胞と襟細胞間の直接的で安定した接触を観察したことはない。むしろ、細胞間の接続は一時的なものであるように思われる。さらに、海綿動物のDNAには、活動電位（ニューロン内で神経伝達物質の放出を刺激する鋭い電気信号）を発生させるのに必要な重要なイオンチャネルの遺伝子がいくつか欠けている。

しかしながら、海綿動物には神経系に似たものが何もないと常に考えられていたため、海綿動物がニューロンと進化的に深い関係にある細胞メカニズムを持っているという示唆は、「海綿動物の生物学を神経細胞生物学に結び付け、動物におけるニューロンシグナル伝達がどこから来たのかを理解するための刺激的な道筋です」とニコルズ氏は述べた。

ニューロンと神経系の起源、特にニューロンが一度だけ発生したのか、それとも複数回発生したのかという問題は、進化発生生物学の分野で最も論争を呼んでいるテーマの1つだと、コロンビア大学で脊椎動物の細胞型の進化を研究し、以前はアーレントの研究室で研修を受けたマリア・アントニエッタ・トッシェス氏は語る。今回の研究結果は、その謎に関係しているように思われる。研究者らは、神経様細胞で発現しているシナプス前遺伝子セットと襟細胞で発現しているシナプス後遺伝子を発見したからだ（どちらの遺伝子セットも、他の細胞型でも活性だった）。この事実は、細胞間コミュニケーションシステムの送信側と受信側の両方を担う遺伝子モジュールが、さまざまな種類の祖先動物細胞で使用されていたことを示唆している。そのため、ニューロンは、これらの遺伝子モジュールのさまざまな用途を通じて、繰り返し独立して進化してきた可能性があるとトッシェス氏は述べた。

実際、海綿動物の多くの多機能細胞は、脊椎動物のようなより複雑な動物の特殊細胞に通常関連付けられる遺伝子モジュールを発現しています。例えば、海綿動物の神経様細胞は、ニューロンのシナプス前機構の一部を発現するだけでなく、免疫遺伝子も発現しています。（神経様細胞が海綿動物の消化室内の微生物含有量を監視している場合、これらの免疫遺伝子がその役割を補助している可能性があります。）海綿動物には、ピナコサイトと呼ばれる細胞もあり、これは筋肉細胞のように一斉に収縮して動物を圧迫し、老廃物や不要な残骸を排出します。ピナコサイトは、血管拡張剤である一酸化窒素に反応する感覚機構も備えています。

「一酸化窒素は血管の平滑筋を弛緩させる作用があるので、血管が拡張すると、その弛緩を引き起こしているのも一酸化窒素です」とマッサー氏は述べた。「そして、論文では実験を通して、一酸化窒素がこの海綿動物の収縮も制御していることを実際に示しました。」グルタミン酸と同様に、一酸化窒素は海綿動物の原始的な行動を調整するための初期のシグナル伝達機構の一部であった可能性があると彼は示唆する。

「私たちのデータは、動物進化の初期には多数の重要な機能的機構が存在していたという考えと非常に一致しています」とマッサー氏は述べた。「そして、初期の動物進化の多くは、これらを異なる細胞に細分化し始めたことでした。しかし、おそらくこれらの最初の細胞種は非常に多機能で、複数の機能を果たす必要があったのでしょう。」最初期の動物細胞は、近縁種である原生動物と同様に、細胞の万能ナイフのような存在だったと考えられます。多細胞動物が進化するにつれて、その細胞は異なる役割を担うようになり、分業化が進んだ結果、より特殊化した細胞種が生まれた可能性があります。しかし、動物の系統によって、分担の仕方や程度は異なっていた可能性があります。

遺伝子モジュールの混合と組み合わせが初期動物進化の重要なテーマであったとすれば、異なる種におけるそれらのモジュールの配置と発現を比較することで、その歴史、そしてそれらがいかに無作為にシャッフルされ得るかという限界について知ることができるかもしれない。こうした答えを探している研究者の一人が、バルセロナのゲノム調節センターで細胞型の進化を研究し、2018年に海綿動物、板状動物、クシクラゲ類の細胞型のアトラスを初めて発表したアルナウ・セベ＝ペドロス氏である。

セベ＝ペドロス氏は、染色体上の遺伝子の空間配置は、近接する遺伝子が制御機構を共有できるため、新たな発見をもたらす可能性があると考えている。「動物ゲノムにおける遺伝子配列の保存性の高さには本当に驚かされます」と彼は述べた。機能的に関連する遺伝子群を共同制御する必要があるため、それらが同じ染色体近傍に留まっているのではないかと彼は考えている。

科学者たちは、細胞の種類がどのように進化し、互いにどのように関係し合うのかを解明する研究の初期段階にあります。動物進化の曖昧な起源を明らかにすることは重要ですが、海綿動物の細胞アトラスは、動物細胞生物学の可能性を明らかにすることでも大きな貢献を果たしています。「動物の起源そのものを理解することは私たちにとって重要です」とセベ＝ペドロス氏は述べ、「他の動物について私たちが知っていることと根本的に異なる可能性のある事柄を理解することも重要です」と続けました。

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オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。