新たな研究で進化を加速させる特性が明らかに

子供の遊び「テレフォンゲーム」では、「梨を食べた」というささやき声が、プレイヤーが列をなすにつれてあっという間に「クマが嫌い」に変わることがあります。遺伝子は親から子へと受け継がれる際に、小さなコピーエラーによって徐々に変化し、時には新しい有用な形質につながることがあります。遺伝による突然変異の速度を知ることは、種の進化を理解する上で非常に重要です。しかし、最近まで、生命が突然変異を起こす速度が極めて大きく異なることは、ごく少数の種についてしか知られていませんでした。

トカゲやペンギンからヒトやクジラに至るまで、68種の多様な脊椎動物を対象とした大規模な分析により、種の突然変異速度​​の大規模な比較が初めて実現しました。これは、種がいかに速く進化できるかを理解する第一歩です。ネイチャー誌に掲載されたこの研究結果は、突然変異のテンポがどのように変化し、そのペースを決定づけるものは何であるかについて、驚くべき知見をもたらしました。

この論文は「私たちが持っている突然変異率の推定値をほぼ倍増させる」と、アリゾナ州立大学の進化生物学者マイケル・リンチ氏（この研究には関与していない）は述べた。「これで私たちは脊椎動物における変異の量について、より正確な理解を得ることができた」。

この膨大なデータにより、生物学者は、どの形質が突然変異率と進化の速度に最も影響を与えるのかという疑問に答え始めることができる。「進化の速度に影響を与えるものは確かに存在しますが、そのすべてを知っているわけではありません」と、インディアナ大学生物学名誉教授で、今回の研究には関与していないパトリシア・フォスター氏は述べた。「これは始まりに過ぎません。」

突然変異率の測定は、生物学者が種の分岐時期を決定するために用いる遺伝子ベースの分子時計の較正に極めて有用である可能性があり、進化の仕組みに関する複数の理論を検証する上でも有用な手段となる。また、進化の速度を決定する要因自体が進化の影響を受けることも確認されている。「生殖細胞系列の突然変異は、他の形質と同様に自然選択の対象となっている」と、この新研究の筆頭著者であるルーシー・ベルジェロン氏は述べた。

3つの力

この研究を可能にした高度なDNAシーケンシング技術は長年存在していたものの、複数の種を対象とした大規模な変異率比較には膨大な作業量が必要になることは明らかだったため、「誰も取り組まなかった」と、コペンハーゲン大学での博士課程研究の一環としてこのプロジェクトに取り組んだベルジェロン氏は語る。しかし、指導教官であるコペンハーゲン大学と中国の浙江大学医学部の張国傑氏の励ましを受け、ベルジェロン氏は研究に着手した。

ベルジェロン氏と研究チームはまず、世界中の動物園、農場、研究機関、博物館で、母親、父親、そしてその子孫の3人組から血液と組織のサンプルを採取しました。そして、それぞれの3人組の親と子孫のDNAを比較し、世代間の遺伝的差異を特定しました。

子孫のDNAの約50%に変異が見つかった場合、それはおそらく生殖細胞系列の変異、つまり母親の卵子または父親の精子を介して受け継がれる変異であると結論付けました。自然選択はこのような変異に直接作用する可能性があります。頻度の低い変異は、生殖細胞系列以外の組織で自然発生的に発生したとみなされ、子孫に受け継がれないため、進化との関連性は低いとされました。

（驚くべきことに、家族3頭組の不一致から、動物園がリストアップした父親は赤ちゃんとは血縁関係がないことが判明することが研究者に多かった。動物園の担当者は、この知らせに肩をすくめて、檻の中にはオスが2頭いたかもしれないと言うことが多かった。「ええ、そうですね、もう1頭が勝ち組ですからね」とベルジェロン氏は冗談を言った。）

最終的に、研究者たちは、巨大なシャチ、小型のベタ、テキサスシマヤモリ、そしてヒトといった、身体的、代謝的、行動的に多様な種を代表する、151の使用可能なトリオを作成した。そして、これらの種の突然変異率を、生活史と呼ばれる行動や特徴に関する既知の情報と比較した。また、それぞれの種について、「有効個体数」と呼ばれる統計的尺度も考慮した。これは、遺伝的多様性を代表するために必要な個体数にほぼ相当する。（例えば、今日の人類の人口は80億人だが、科学者は通常、有効個体数を約1万人以下と推定している。）ベルジェロン氏らは、これらの数値に見られる関連性のパターンを探した。

データから明らかになった最も驚くべき発見は、生殖細胞系列の変異率の幅広い範囲でした。研究者らが世代ごとの変異発生頻度を測定したところ、種間の差異は約40倍にとどまりました。ベルジェロン氏によると、これは体の大きさ、寿命、その他の形質の違いと比較すると非常に小さいように思われます。しかし、世代ごとではなく年ごとの変異率を見ると、その範囲は約120倍に広がり、これは以前の研究で示唆されていたよりも大きな値でした。

変動の源

研究著者らは、ある種の平均有効個体群サイズが大きいほど、その突然変異率が低いことを発見した。これは、リンチが10年ほど前に提唱した「浮動障壁仮説」を裏付ける強力な証拠となった。「ほとんどの突然変異は有害であるため、選択は容赦なく突然変異率を下げようとする」とリンチは説明した。しかし、有効個体群サイズが小さい種では、遺伝的浮動、つまり突然変異の拡散に対する純粋な偶然の影響が強くなるため、自然選択は弱まる。その結果、突然変異率は上昇する。

この研究結果は、科学文献における別の考え方、すなわち「オス主導進化仮説」を裏付けるものでもある。この仮説は、オスが一部の種の進化においてメスよりも多くの変異に寄与している可能性があると提唱している。ベルジェロン氏らは、生殖細胞系列の変異率はオスの方がメスよりも高い傾向にあることを発見した。少なくとも哺乳類と鳥類ではその傾向が見られたが、爬虫類と魚類ではその傾向は見られなかった。

著者らは、これらの違いの理由として考えられる点を指摘した。あらゆる種の雄は精子を作るために絶えずDNAを複製するため、突然変異を起こす機会が無限に存在する。魚類や爬虫類の雌も生涯にわたって卵子を産むため、遺伝的エラーのリスクは同様である。しかし、哺乳類や鳥類の雌は、基本的に一生に産むすべての卵子を持って生まれるため、生殖細胞系列はより保護されている。

研究者らが発見した変異のうち、生活史特性は約18%を占めていた。これらの影響の中で最も大きかったのは、種の世代時間、つまり繁殖する平均年齢であった。親の年齢が上昇するにつれて、突然変異率も上昇した。

ベルジェロン氏は、ヒトのデータを対象とした研究に自身、兄弟、そして両親を参加させたため、自身の家族にもこのパターンを見ることができた。「父が私を産んだ時、私は年老いていましたから、私は兄弟よりも多くの変異を持っています」と彼女は語った。

一部の脊椎動物では、成熟期間や子孫の数といった要因も影響を与えていましたが、予想に反して、研究者たちは体の大きさに関連した影響は見つけられませんでした。体が大きい生物は細胞数が多く、DNA複製機構がミスを犯す機会が増えるため、突然変異が多くなるはずだという長年の仮説があります。

「世代時間が体の大きさよりもはるかに重要であるように思われるのは驚きでした」と、ワシントン大学のゲノム科学助教授、ケリー・ハリス氏は述べた。「これまでの文献では、これらの仮説はより同等の立場に立っています。」

ハリス氏は、今回の研究結果が、突然変異率、ひいては進化を決定づける最も重要な要因は何かという大きな疑問のいくつかに答えるための刺激的な第一歩であると称賛した。さらに、この研究は自然界にどれほどの生物多様性が存在するかを示唆している。

「生命の多様性は、動物の外見だけではありません」と彼女は言った。「目に見えない特性もたくさんあるのです。このような研究でそれを観察できることは、生物多様性をさらに魅力的なものにしているのです。」

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。