クマムシのゲノムが極限の生存の秘密を明らかにする

クマムシは自然の最終的な生き残りかもしれません。 これらの小さくてほぼ透明な動物は見落とされがちですが、南極大陸を含むすべての大陸の淡水、海洋、陸上環境に定着することに成功した多様なグループの代表です。

「クマムシ」として知られるこれらの珍しい生き物は、さまざまな過酷な条件下でも生き残る比類のない能力のおかげで、地球上で最も回復力のある生物の 1 つである可能性があります。 分類する 干ばつ、高線量の放射線、低酸素環境、高温および低温、高圧に対する耐性があります。

多くの遺伝子がこの極度の耐性に寄与していると提案されているが、これらの独特の適応の起源と歴史の包括的な理解は依然として得られていない。 で発表された新しい研究では、 ゲノム生物学と進化、慶応義塾大学先端生命科学研究所の研究者 オスロ大学 自然史博物館と ブリストル大学 それは、クマムシの極度の耐久力に関連する遺伝子の重複と喪失の驚くほど複雑なネットワークを明らかにし、現代のクマムシの生態を動かしている複雑な遺伝的状況を浮き彫りにします。

クマムシの遺伝子ファミリーを理解する

極度の持久力の一種として、クマムシは、無水生活と呼ばれる休眠状態に入ることで、ほぼ完全な脱水症状から生き残ることができます。どれでも、 水のない生活）、代謝を可逆的に停止させることができます。 複数のクマムシ特異的遺伝子ファミリーが脱水生症に関連していることがこれまでに判明している。

これらの遺伝子ファミリーのうち 3 つは、 Cお願いです、 Mミトコンドリアと s分泌される ある十分な H彼は食べる s可溶性タンパク質 (それぞれ CAHS、MAHS、SAHS) は、タンパク質が発現される細胞の位置に基づきます。 一部のクマムシは、クマムシで最初に同定された豊富な熱可溶性タンパク質の 2 つのファミリーが関与する異なる経路を持っているようです。 馬術検査 それらは通常、アルファおよびベータ EtAHS と呼ばれます。

クマムシの写真 ラマゾティウス・バオルナトゥスは、CAHS 系統の中間に位置し、この研究で分析された 6 つの干ばつ関連タンパク質ファミリーの中で最大のものです。 クレジット: 荒川和晴、慶応義塾大学先端生命科学研究所

クマムシはまた、他の動物の乾燥耐性に関与している減数分裂組換え 11 (MRE11) 遺伝子など、より広範な動物に見られるストレス耐性遺伝子も持っています。 残念ながら、これらの遺伝子ファミリーが特定されて以来、ほとんどのクマムシ系統から得られる情報は限られており、その起源、歴史、生態学的意味について結論を導くことが困難になっています。

クマムシの進化の研究

クマムシの極度の耐性の進化をより詳しく解明するために、新しい研究の著者であるジェームズ・フレミング、デビッド・ピサーニ、荒川和晴は、クマムシの13属にわたるこれら6つの遺伝子ファミリーの配列を特定した。その中には主要な各属の代表も含まれている。クマムシの系統。 順行性、異性緩行類。 彼らの分析により、74 個の CAHS、8 個の MAHS、29 個の SAHS、22 個の EtAHS アルファ、18 個の EtAHS ベータ、および 21 個の MRE11 配列が明らかになり、これらの遺伝子ファミリーの最初のクマムシ系統を構築することが可能になりました。

干ばつ耐性は陸地環境への適応として現れた可能性が高いため、研究者らはクマムシの遺伝子ファミリーの遺伝子重複や喪失と生息地の変化との間に関連性が見つかるのではないかと仮説を立てた。 「研究を開始したとき、各クレードは古代のバージョンを中心に明確にクラスター化されており、独立した損失はほとんどないことがわかると予想していました。これにより、それらを現代の生息地や生態系の理解に簡単に結び付けることができます」と研究の筆頭著者であるジェームズ・フレミングは述べています。 「これらの干ばつ関連遺伝子の転写の進化には、理論的にはこれらの生物の環境史の名残が含まれているはずだというのは直観的な仮説だが、実際にはこれは単純化しすぎていることが判明する。」

むしろ、研究者らは、熱可溶性遺伝子の膨大な数の独立したコピーに驚き、これにより、脱水生生物に関連する遺伝子の進化のより複雑な全体像が描かれた。 ただし、強力な無水生物種とその種が持つ無水生物学的に関連する遺伝子の数との間に明確な関連性がなかったことは注目に値します。 「私たちが発見したのは、はるかに刺激的なものでした。それは、現生陸生種の環境と必ずしも結びついていない、独立した利益と損失の複雑なネットワークでした。」とフレミングは言います。

クマムシ系統における自律的適応

遺伝子重複とクマムシの環境との間には関連性はなかったが、この研究は、脱水生生物の獲得につながる重要な変化についての重要な洞察を提供した。 クマムシの 2 つの主要なグループ (クマムシの CAHS、MAHS、SAHS、ヘテロクマムシの EtAHS アルファおよびベータ) にわたる遺伝子ファミリーの明確な分布は、クマムシの祖先の段階で、海洋から陸上の透明な環境への 2 つの独立した移行がクマムシ内で起こったことを示唆しています。そして一度はHeterotardigradesの中にいます。

この研究は、クマムシにおける脱水生現象の進化の理解における重要な前進を示しています。 また、これは極度のクマムシ耐性に関する将来の研究の基礎ともなり、より多様なクマムシ系統からのゲノムリソースの継続的な開発が必要となる。

「残念ながら、イソヒプシビ科などいくつかの重要な科の代表者がいないため、私たちが結論に固執できる範囲は限られています」とフレミング氏は言う。 「淡水産クマムシと海産クマムシのサンプルが増えれば、陸生グループのメンバーの適応をより正確に推定できるようになるでしょう。」 残念ながら、一部のクマムシは特にとらえどころがなく、そのような研究にとって大きな障害となっている可能性があります。 例えば、 タナクトゥス・ポピュラスフレミングさんのお気に入りのクマムシの一種であるクマムシは、肉眼では見えないほど小さく、北大西洋の深さ約150メートルの堆積物でのみ発見されます。 「アース バイオゲノム プロジェクトを通じた大規模な配列決定の取り組みによって、私たちの理解におけるこのギャップが着実に埋められることを期待しており、それが継続することに興奮しています」とフレミング氏は言う。

参考文献：「クマムシにおける温度と干ばつ関連タンパク質ファミリーの進化は、極度の耐性の複雑な獲得を明らかにする」James F. Fleming、David Pisani、Kazuharu Arakawa、2023 年 11 月 29 日、 ゲノム生物学と進化。
土井: 10.1093/jpe/evad217