人間はもちろん、魚や、鳥など、背骨をもつ動物のことを脊椎動物といいます。背骨をもたない動物から、どのように脊椎動物が生まれたのか。私たち自身の由来を探る「脊椎動物の起源」は生物進化の大問題で、それを調べるためにナメクジウオを使っています。ナメクジウオは一見魚のように見えますが、背骨はありません。その代わり「脊索」という、脊椎動物の個体発生の初期にだけ登場し、のちに脊椎に置き換わる組織を一生もっています。また、筋肉や神経組織など、その他の組織も脊椎動物を簡単にしたような構造になっています。それらのことから、脊椎動物の祖先に似ていると、古くから考えられてきました。

それはまず第一に、古典的な動物学でも最近のＤＮＡ解析でも、ナメクジウオのほうがホヤよりも脊椎動物に近いと考えられているからです。しかし、もっと重要なのは、ナメクジウオが、はるか昔、脊椎動物が生まれた頃の形態を今も変わらずにもち続けていると考えられることです。脊椎動物とナメクジウオの祖先が分かれたのは何億年も前のこと。その頃と比べて形態が大きく変わってしまっていたら、現在のナメクジウオを調べても脊椎動物が生まれた頃のことを知るのは難しくなる。実際には、ナメクジウオは形態的に過去の状態をかなり保っていると考えられます。

カンブリア紀の爆発が起こった５億数千万年前、脊椎動物が生まれるより前に、ピカイアという生物がいました。化石で見るピカイアはナメクジウオにとてもよく似ていて、そのことから、カンブリア紀にはすでに、ナメクジウオのような生物がいたと多くの生物学者は考えています。

現在の研究を本格的に始めたのは1987年頃のことです。その数年前に動物の形づくりに重要な働きをする「ホメオボックス遺伝子」が見つかり、その他にもいくつかの形づくりの遺伝子が見つかり始めていました。そこで私は、こうした動物の形態をつくるのに重要な遺伝子が、脊椎動物とナメクジウオでどう違うかを調べることにしたのです。動物の形態がそれぞれに違うのは、形づくりの遺伝子の構造や働きが違うから。進化の歴史において新しい形態が生まれた時、形づくりの遺伝子はどのように変化したのでしょうか。形態の進化に関する本質的な問いを、私は解きたいと思ったのです。

その通り。今でもこの分野はわかっていないことばかりです。そんな中で私たちは、比較的働きの明らかなホメオボックス遺伝子に注目して実験を始めたのです。ホメオボックス遺伝子は、よく似た配列をもつ数個の遺伝子がゲノムの中に並び(図1)、その働きによって、頭部、胸部、腹部などの異なる構造ができあがります。このように並ぶ複数の遺伝子をホメオボックス遺伝子のクラスター(＝集団)と呼ぶのですが、80年代の終わり頃には、ショウジョウバエではクラスターが１つなのに対し、マウスなどの脊椎動物では４つということがわかっていました。この違いはいつ生じたのか。それを探るためにナメクジウオのホメオボックス遺伝子を調べることにしたのです。遺伝子の実験など行なわれたことのない動物なので時間がかかりましたが、最終的にクラスターは１つということがわかりました。脊椎動物の祖先には、もともと１つのクラスターしかなかったのが、脊椎動物が生まれたのと前後してクラスターは４倍に増え、その結果、余分になった遺伝子が変化して、新しい構造をつくるようになった、という予想が成り立つのです(図1)。

それでホメオボックス遺伝子を調べることにしたのです。まず、ナメクジウオのホメオボックス遺伝子のうち、AmphiHox-3という遺伝子の発現を調べてみると、発現領域の前端は脳胞よりもずっと後ろにありました。一方、脊椎動物でAmphiHox-3遺伝子に対応するHox-3という遺伝子の発現領域の前端は後脳という脳の一部の中にあるのです。ホメオボックス遺伝子は、それが発現している領域とそうでない領域に違いを作るという働きがあります。そう考えると、脊椎動物の脳がナメクジウオの脳胞とさらにその後ろの神経管の一部というかなり広い領域に由来するのではないか、という、これまでとは違った、新しい仮説を考えることができるのです。現在では、AmphiHox-1という遺伝子でも同じような結論が出ており、ナメクジウオの脳胞に脊椎動物の間脳にあたる構造があるようだという結果も得られています。

 

きっかけは、93年に発表された一つの論文でした。ランディン(Lars G. Lundin)が、ヒトとマウスの染色体上に、広い範囲にわたって同じような遺伝子が並ぶ領域があることを見つけたのです。ヒトの場合なら、2、7、12、17番の４つの染色体に、ホメオボックス遺伝子のクラスターをはじめ、多数の遺伝子がお互いそっくり同じ順序で並んでいます(図3)。これを説明するには、もともとヒトやマウスの祖先はこの領域を１セットしかもたなかったが、過去のある時点で領域全体が重複して４セットもつようになった、と考えるほかはありません。

私たちは、ホメオボックス遺伝子以外の形づくりの遺伝子についても調べてきました。すると多くの遺伝子が、ナメクジウオでは１つなのに、脊椎動物では２つ以上見つかるのです。こうした結果やランディンの話などを総合すると、脊椎動物が生まれたのとほぼ同じ頃にゲノム全体がまるごと重複して何倍かになった、と考えるのがもっとも素直な結論となります。これはまだ仮説の段階で、重複の原因もわかりません。とにかく倍加で増えた遺伝子のあるものは次第に変化し、あるものは失われ、やがて残ったものが新しい機能を獲得するという過程で、たとえば脊椎などの、脊椎動物に特有の構造が登場したのではないでしょうか。さきほどのホメオボックス遺伝子も、そうした遺伝子の一例だと思います。

私は今、ヒトゲノムプロジェクトに期待しています。ゲノムの重複の回数も、２回だったのか、３回以上起こった後に多くの遺伝子が失われた結果、４倍になったように見えるのか、今のところ区別がつきません。ヒトゲノムの全塩基配列が明らかになれば、重複の回数や遺伝子の消失の様子など、ゲノムの成り立ちが詳しくわかるはずです。