電気魚のゲノムは進化がどのように繰り返されるかを明らかにする

アマゾン川の濁った底では、電気ウナギと呼ばれる蛇のような魚が、油断しているカエルなどの小さな獲物を探して暗闇の中を歩き回っています。獲物が泳いでくると、電気ウナギは600ボルトの電気パルスを2回発射し、気絶させたり殺したりします。この高電圧の狩猟戦術は特徴的ですが、他にも電気を使う魚種がいます。泥水で流れの遅い水域を泳ぐときや、モールス信号のような微弱な電気ショックで同種の仲間とコミュニケーションをとるときなど、微弱な電圧を発生・感知します。

通常、複数の種が発電のような珍しい能力を共有している場合、それは近縁種であるためです。しかし、南米とアフリカの河川に生息する電気魚は6つの異なる分類群にまたがり、さらに3つの系統の電気魚が海に生息しています。チャールズ・ダーウィンでさえ、『種の起源』の中で、電気能力の斬新さと、その分類学的・地理的分布の奇妙さについて考察し、「これらの驚異的な器官がどのような過程を経て生み出されたのかを想像することは不可能である」と記しています。しかも、一度だけでなく、何度も繰り返して。

Science Advances誌に最近掲載された論文は、この進化の謎を解き明かす一助となる。「私たちは、ほとんどの生物学者と同じように、ダーウィンの理論を追っているだけです」と、テキサス大学オースティン校の統合生物学者で、この研究の共同筆頭著者であるハロルド・ザコン氏は述べた。ザコン氏とミシガン州立大学の同僚たちは、ゲノム上の手がかりをつなぎ合わせることで、約1億2000万年の進化と1600マイルもの海を隔てた電気魚の系統において、驚くほど類似した電気器官がどのようにして発生したのかを解明した。電気器官を進化させる方法は複数あるが、自然には頼りになる得意技がいくつかあることがわかった。

ザコン氏の研究グループが研究している南米とアフリカの魚は、体の大部分に沿って広がる特殊な電気器官から電気刺激を得ています。この器官内の電気細胞と呼ばれる改変された筋細胞がナトリウムイオン勾配を作り出します。電気細胞の膜にあるナトリウムゲートタンパク質が開くと、突発的な電流が発生します。「これは想像できる限り最も単純な信号です」とザコン氏は言います。

筋肉では、これらの電気信号は細胞内や細胞間を流れ、収縮して運動を促しますが、電気器官では電圧は外向きに流れます。各ショックの強さは、同時に発火する発電細胞の数に依存します。ほとんどの電気魚は一度に数個しか発火しませんが、デンキウナギは異常に多くの発電細胞を保有しているため、小さな獲物を殺せるほどの強力な電圧を放出することができます。

新たな研究で、ザコン氏と彼の元研究技術者サラ・ラポティン氏（現在はユタ大学の博士課程に在籍）および彼の他の同僚は、魚類のゲノムの歴史を追跡することで、これらの電気器官の進化の重要な側面を再構築した。

それは3億2000万年から4億年前、硬骨魚類に分類されるすべての魚類の祖先が、稀な遺伝的事故によってゲノム全体を複製したことから始まりました。ゲノム全体の複製は脊椎動物にとってしばしば致命的です。しかし、ゲノム内のあらゆる要素の重複コピーを作成するため、これまで未開拓だった遺伝的可能性を切り開く可能性も秘めています。「突然、たった一つの遺伝子ではなく、全く新しい経路を作り出す能力が備わったのです」と、ノースカロライナ州立大学のシステム生物学者、ギャビン・コナント氏は述べました。コナント氏は今回の研究には関与していません。

今日の淡水電気魚（硬骨魚類）のより最近の祖先にとって、この重複は重要なナトリウムポンプの遺伝子の余分なコピーを持つことを意味していました。1つのコピーは筋細胞で機能し続けましたが、もう1つのコピーは電気細胞に独特の電気的特性を与える変異を獲得しました。

しかし重要なのは、電気器官特有の適応が採用される前に、まずこの遺伝子の2番目のコピーが筋細胞で不活性化されなければならなかったことです。そうでなければ、出現した発電細胞の能力が運動を妨げていたでしょう。ザコン氏らは、電気魚がどのようにこの遺伝子を不活性化するかを調べたところ、異なる系統の電気魚が異なる方法で不活性化していることを発見し、驚きました。

アフリカの魚の筋肉組織では、ナトリウムポンプ遺伝子は依然として機能していたが、鍵のない錠前のように、筋肉組織が生成しないヘルパー分子がなければ活性化できなかった。南米の魚のほとんどでは、単に筋肉からポンプが欠落していただけだった。筋肉におけるナトリウムポンプの発現を特異的に促進する必須の制御要素が欠落していたため、ナトリウムポンプ遺伝子はほぼ不活性だった。南米の魚のある奇妙な系統では、この遺伝子は筋肉で依然として機能していた。若い魚では一時的に不活性だったが、魚が成熟するにつれて全く異なる遺伝子群が電気器官のナトリウムチャネルの制御を引き継ぐと、再び活性化した。

つまり、収斂進化の教科書的な例のように、魚類の様々な系統はそれぞれ独立して、筋組織を改変して電気器官を作り出す戦略を編み出し、さらにはナトリウムポンプを異なる組織で選択的に機能させることでそれを実現したのです。しかし、ポンプを制御する具体的な方法は系統によって異なっていました。

ゼブラフィッシュ（左）の筋肉内部では、蛍光緑色のタグが細胞内のナトリウムポンプから発生する強い電気活動の波を捉えている。南米の電気魚（右）の筋肉では、電気器官の進化が筋肉内のポンプの抑制から始まったため、活動ははるかに弱い。動画：メアリー・シュワルツ／ヨハン・エバーハート／クォンタ・マガジン

科学者が収斂進化の事例を調査すると、多くの場合、その特徴は本質的に同じメカニズムによって生じることが判明すると、テキサス大学オースティン校の分子生物学者で今回の研究の共著者の一人であるヨハン・エバーハート氏は説明する。「しかし、今回の場合は全く異なっていました」と彼は言う。「そして、それは非常に興味深いことです」

コナント氏は、今回の新たな発見は自身の研究グループの研究で「私たちが見てきたことと似ている」と指摘した。彼の研究室では、他の硬骨魚類が神経と筋肉の間で信号を送るための特定の重複遺伝子を失っている一方で、一部の電気魚の系統はそれらを保持していることを発見した。電気器官を直接的に自発的に制御するこれらの重要な遺伝子がなければ、デンキウナギは特徴的な強力な電気ショックを発生させることができなかっただろう。

ザコン氏らは、ナトリウムポンプ遺伝子に発見した制御領域の潜在的な重要性にも興味を抱いている。この制御領域は、タンパク質を発現する組織を正確に決定していると考えられるためだ。ヒトや他の脊椎動物のナトリウムポンプにも同じ制御領域が見られる。細胞内のポンプ活性に影響を与える変異は、ミオトニアと呼ばれる筋力低下などの様々な健康問題を引き起こしたり、その一因となったりする可能性がある。

この新たな研究は、電気魚類に見られる収束と発散のほんの一例に過ぎない。南米の系統の中には、改変された筋細胞ではなく改変されたニューロンを用いて微弱な電気ショックを与えるものがある。一方、海洋に生息する電気魚の中には、より奇妙な感電戦略を進化させているものもいる。例えば、スターゲイザーは眼球の改変された筋肉から電気ショックを与える。

しかしザコン氏にとって、生物学の根本的な謎を解く上で最も役立つのは収束的解決策だ。もし進化の過程を巻き戻すことができたら、同じように再生されるだろうか？ユニークな革新を見るのは「魅力的」だが、「『そこに至る道は一つしかなかったのか？』という疑問には答えられない」と彼は言う。多様な電気魚のような器官系に見られる収束と分岐の融合は、生物学がいかに予測可能であり、かつ奇抜であるかを、より豊かに描き出してくれる。

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。