進化研究を覗く

顧問の西川伸一を中心に館員が、今進化研究がどのようにおこなわれているかを紹介していきます。進化研究とは何をすることなのか? 歴史的背景も含めお話しします。

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ゲノムの進化と生物の進化

2016年7月15日

ゲノムの解剖学に始まり、ゲノムの生理学、そしてゲノムの発生学と、すでに27回にわたってゲノムに関する知識を独断で、しかもほとんどは自分の頭の整理のために書いてきた。特に後半17回はゲノムの発生学と称して、今私たちが知っているゲノムが、生物のいない地球でどう誕生したのか、思いつくまま書いてきたが、そのおかげで自分では無生物から生物が生まれる過程を頭の中で思い浮かべられるところまで整理ができたと思う。ただ、説明自体は体系的でなかったので、読者の方にはわかりにくかったのではと反省している。私の個人的な頭の整理に付き合っていただいた読者の皆さんにはまず感謝。

私自身は納得できたと満足していても、読者の多くは生命誕生の話がまだ完結していないという印象を持たれたかもしれない。事実、ゲノムの発生学についてのシナリオは原始ゲノムまでで終えてしまったことは確かだ。

本来なら最終生物(LUCA)への移行過程の説明がくるはずだが、「原始ゲノム=自己」が「ゲノム<細胞=自己」という構造へと移行して、自己の範囲が拡大したとだけ述べてお茶を濁した。

しかしこれには理由がある。私はLUCAへの最終過程は、無生物から生物への過程より、生物のダーウィン進化のなかで理解したほうがいいと考えている。場合によってはダーウィン進化は今もゲノムの多様化と、選択の問題として語られる。しかし、ゲノムの発生以降、生物進化は様々な情報をゲノムの外に生み出してきたため、生物の進化をゲノムの進化としてだけ捉えることは難しくなった。私はこの問題は、原始ゲノムの代表する自己が、細胞を単位とする自己へと拡大した過程で最初に発生したと思っている。

原始ゲノムは現在の生物に普通に見られる様々なメカニズムにより情報を拡大させ、環境を自己に取り込むことでLUCAへの道筋を突き進んできた。しかし、生物の自己が完全に細胞に拡大してLUCAが誕生するためには、拡大したゲノム情報だけでは足りない。この困難は原核生物の細胞分裂過程をみるとよくわかる(図1)。


図1 原核細胞の細胞分裂調節と、LUCA以前のプロトセルとの比較

原核細胞のゲノム複製は、細胞が成長して一定の大きさに達したときに開始する。すなわち、原始ゲノムから見たとき拡大した自己=細胞の大きさを情報としてゲノムの複製開始が指令される。実際には細胞のサイズ情報を受けたdnaAと呼ばれる分子が複製開始点に集まり、ゲノムの複製が始まる。次にゲノムの複製が終わると、これが情報となって、細胞の中央がくびれ、細胞中隔が形成された後、細胞が分裂する。すなわち、今度はゲノムの状態が情報として細胞質の分裂を指令する。実際にこの分裂は、ゲノム複製に関する情報に反応してFtsZと呼ばれる分子が分裂面に集まることで進む。もし複製終了を情報として確認するメカニズムがなく、ゲノム複製が終わる前に細胞が分裂してしまったら大変だ。

この過程からわかるのは、原始ゲノムから細胞へと自己が拡大すると生物にとってゲノムの塩基配列だけが情報ではなくなり、複製開始を指令する細胞の大きさや、逆にゲノム複製の状態が情報となって細胞分裂過程の進行を調節していることだ。おそらく原始ゲノムは最初から脂肪膜でできたマイクロセルの中に存在してプロトセルを形成していたのではないかと考えられる。ただ、マイクロセル形成と、原始ゲノムは基本的には独立していたはずだ。(季刊生命誌89号に人工細胞研究の記事がある)細胞質・細胞膜とゲノムが独立しているプロトセルを考えるのは簡単だ。しかし自己が細胞として統合されるためには、原核細胞に見られるゲノムから細胞質、細胞質からゲノムへのシグナルが必要になる。すなわち細胞の大きさとゲノムの状態が、核酸配列情報の外に発生する必要がある。

「え?ゲノムの塩基配列以外の情報が発生したの?」と問われそうだ。答えは「イエス」だ。

ずいぶん前に、雨は情報でもなんでもない物理現象だが、外出しようと考えている人にとっては重要な情報として、傘を持って表に出るという行動につながることを例に、一見情報とは思えない現象が、解釈によって人間にとっては情報になることを説明した。まさにこの解釈システム(あるいは感覚システム)が原始ゲノムから細胞への拡大過程で発生することで、塩基配列以外の状態が情報として使うわれていることを意味している。

生命科学になじみのある人なら、今私が説明した機構はフィードバック、フィードフォワード機構として、生体の中では普通に見られるメカニズムだと気づかれるだろう。

生体ではこの機構が、細胞や個体の統合を保つための最も重要な機構として至るところで使われている。すなわち、生体内で起こるすべての独立の過程を統合するには、反応のモニタリングと、解釈、それに従う行動のネットワークが網目のように張られる必要がある。そして、それぞれの回路は、ゲノムからの指令で形成される分子により解釈される、ゲノムとは異なる情報が発生している。

もちろんSzotakらの研究が示すように、新しい情報解釈システムがなくとも、条件が整えばRNAゲノムを持つプロトセルが分裂を繰り返すことは現実にあり得る。しかし、この分裂でゲノムの分裂と細胞質・細胞膜の分裂がうまく調整されているように見えるとしても、それは地球上の偶然が重なりフィードバック機構を持った「間欠泉」ができるのと同じだ。図に示す様に、外界から何らかの力を受けることなく、ゲノムと協調して分裂することはない(Ottoの複製子を思い出して欲しい)。

この様に、原始ゲノムが誕生してから、生物は自己の範囲を急速に拡大し、これは自己内で起こる様々な現象を情報として解釈する無数の仕組みを獲得することで支えられてきた。例えば、タンパク質のリン酸化、アセチル化、メチル化、あるいはRNAのリボスウィッチなど、すべてこれにあたる。現在cAMPや脂肪酸がシグナル伝達に使われているのも、ATP、脂肪酸がこのとき細胞にふんだんに利用できた名残だろう。この再帰性が、目的性をもった力学系テレオダイナミック系を特徴付けていることを思い出して欲しい。

この様に新たな情報を解釈して自己の統合性を維持する機構が発展すると、今度は自己だけでなく外界の変化を情報として解釈するメカニズムも発生する。この結果、多細胞体制を支えるエピジェネティックな情報、神経回路情報、脳回路情報、そして最後に言語というそれぞれまったく異なる質の情報が生物から続々誕生してきた。

考えてみると、プロトセルの細胞質や細胞膜は、最初の原始ゲノムにとっては自己ではなく、環境だったと言える。この環境を取り込んで自己の範囲にしたのがLUCAの誕生と言えるが、これにより、その後の進化の方向性、すなわち環境の取り込み(支配)を目指す進化の原動力が決まった気がする。そして何よりも、その過程で例えばゲノム情報の多様化だけではなく、様々な異なる質の情報をゲノムの外に誕生させた。言語を考えてみると、このおかげで自己の範囲は世界の裏側、宇宙の果て、そして生命誕生のときまで広がっている。

これから生物の進化を、これら多様な情報が統合された個体を選択する過程として捉える必要がある。生物の進化をゲノム進化からだけ考えることはできない。次回からは、多様な情報が統合された生物の進化について考えてみたいが、まず生命の進化によって新たにゲノムの外に生まれた情報をリストし、その特徴を考えるところから始めたい。

[ 西川 伸一 ]

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