物質から生命の進化を可能にしたのは「寄生体」との共進化だった

biology

他者に複製能力を依存する寄生型RNAの存在は単一だった宿主RNA配列を異なる種に分岐させた/Credit:東京大学
point
  • RNA分子をベースにした自己複製系を長時間に渡り維持することに成功した
  • 世代が重なると自己複製系からウイルスのように複製能力を他のRNAに依存する寄生RNAがあらわれた
  • 宿主RNAと寄生RNAは互いに耐性獲得競争をはじめた
  • 耐性獲得競争を続けるうちに宿主RNAが複数の系統に分岐し異なる分子の種がうまれた

生命が生まれる前の時代では、すでにRNAや短いタンパク質からなる、分子の自己複製システムが存在していたと考えられています。

すなわち生命が生まれてから自己複製システムができたのではなく、もともと地球に自己複製システムがあったからこそ、生命誕生につながったとの意見です。

しかしこれまで地球にあったと考えられている自己複製システムは、分子の急激な増殖の末、周囲の資源をあっという間に使い果たして停止させると分かっています。

そのため現在に至るまで、実験室で生命を誕生させた自己複製システムを再現する試みは失敗しているのです

もし既存の自己複製システムしか原始の地球なかった場合、実験室での失敗と同じように、地球で生命は誕生しなかったでしょう。しかし現に私たち生物は存在しています。

自己複製システムが先に存在したに違いないが、それをいくら実験室で試しても生命はうまれない…。

この単純な謎は永遠に解けないかに思われました。

しかし今回、東京大学の研究者たちは原始地球を模した自己複製システムに、独自の調整を加えることで、自己複製反応を300世代以上、延々と続けることができました。

また複製を重ねる中で試験管内部にはベースとなるRNAの他に、ウイルスのよう「寄生型のRNA」がうまれたほか、寄生型RNAに耐性をもった新型RNAの誕生と、その耐性にさらに耐性を持った新型寄生RNAがうまれました。

そしてこの絶え間ない耐性獲得競争が、単一だったRNAを複数の異なる系統に分岐させ、新たな「種」を作り出していたのです。

この結果は、分子の世界において、種の起源は競争であったことを意味します。

長期間維持可能な自己複製系

新たな反応液へと継代することで持続的な自己複製反応が得られた/Credit:東京大学

これまで考案された自己複製システムは、どれも自己増殖の結果として資源を使い果たし、システムが停止してしまいました。

そのため、どの自己増殖モデルを使っても、生命に近づく様子は観察されなかったのです。

そこで東京大学の研究者たちは、試験管内部に自己増殖能力を持ったRNA分子入れ、大腸菌の細胞質ゲルから抽出した「無細胞翻訳反応液」を加えました。

この無細胞翻訳反応液には遺伝翻訳に必要なタンパク質、RNA、リボソーム、アミノ酸や核酸などの低分子化合物が、反応に必要なエネルギー源と共に含まれていました。

自己増殖に必要な資源とエネルギーが込められたパッケージと言い換えることができます。

自己増殖能力を持ったRNAをこの無細胞翻訳反応液に加えて温めると、RNAにコードされた遺伝子がタンパク質として翻訳され、複製酵素をつくり、RNAの自己増殖が行われはじめます。

またこのシステム全体を、上の図のように、油中水滴(油の中にある小さな水分)の中に封じ込め、資源とエネルギーのパッケージである無細胞翻訳反応液で希釈させながら、複製を繰り返していくと、複製ミスにより突然変異が起き、元とは僅かに異なる配列を持ったRNAが生じました。

複製のなかでエラーが起こり配列が変化する。そして優れた配列は劣った配列を排除する/Credit:東京大学

この変異がオリジナルとなる配列よりも複製しやすい配列であった場合、変異配列は集団の中で自分のコピーを増やしていき、新たな主流派を形成することがわかりました。

優れたものがオリジナルと入れ替わるのは、生物の世界の基礎となった分子からなる自己複製システムでも同じようです。

ですがこのRNA複製をしばらく続けていると、研究者は奇妙な配列を持ったRNAが現れはじめたことに気が付きました。

寄生RNAはウイルスのように宿主RNAの複製能力に依存する

寄生RNAは他者が作った複製酵素を利用する/Credit:東京大学

複製と繰り返しの世代交代の中で現れた、その奇妙なRNAは主流派のRNAに比べて短い配列しかもっておらず、自分で自分を複製するのに必要な複製酵素の設計図を配列内に持っていなかったのです。

そのため奇妙な短いRNAが増殖するには、上に図のように、主流派のRNA配列が生産する複製酵素を借用する必要がありました。

研究者はこのウイルスのように他者の機能に依存するRNAを「寄生RNA」と名付け、さらに複製を継続させました。

もし寄生RNAが宿主RNAを駆逐すれば寄生RNAも死に絶える/Credit:東京大学

その結果、上の図のように、宿主となる従来型のRNA(区別ため以下宿主RNA)と寄生RNAの数はダイナミックに変動している様子が明らかになりました。

寄生RNAが増え過ぎると宿主RNAが減り、宿主RNAが減ると寄生RNAも減ります。

そこでまた宿主RNAが増えることができるようになり、すると寄生RNAもまた増えます。

宿主RNAと寄生RNAは、現実世界の喰う喰われるの関係を反映するかのように、増減を繰り返していきました。

ですが研究者は増減を繰り返すなかにあって、初期の寄生RNAとは大きく異なる配列を持った新型寄生RNAが存在していることに気付きました。

この新型寄生RNAはいったいなぜ誕生したのでしょうか?

宿主RNAと寄生RNAの耐性獲得競争がはじまった

宿主の変化により寄生体αは複製できなくなったが寄生体βに変異することで宿主の耐性をすり抜けた。しかし宿主は再度変異して寄生体βに対する耐性を獲得した。このような繰り返しが延々と続く/Credit:東京大学

試験管内に生じた小さな異変、新型の寄生RNAの誕生した理由を研究者は探りました。

そして驚きの結果が明らかになります。

なんと、これまで寄生されるがままだった宿主RNAが変異を起こし、既存の寄生RNAが使えないような複製酵素をコードするようになっていたのです。

このままでは寄生RNAは増殖できず、培地の継代ごとに数を減らして、いずれは死に絶えてしまうはずでした。

しかし寄生RNAもまた変異を起こし、宿主RNAの耐性に対する耐性を獲得し、再度、増殖できるようになっていたのです。

新型寄生RNAの出現は、耐性と耐性がぶつかり合う終わらない競争が分子の自己複製系という非生物の世界でも開始されたことを意味していたのでした。

寄生RNAとの耐性獲得競争は宿主RNAを異なる種にわけた

熾烈な耐性獲得競争の結果種がうまれた/Credit:東京大学

世代を超えた絶え間ない耐性獲得ゲームが続き、生存競争が熾烈さを増していくなかで、少しでも優位を占めようとした宿主RNAが複数の異なる系統に分岐しはじめたのです。

これが分子世界における「種」の誕生でした。

種の誕生は宿主RNAの基本バリエーションを増やしただけでなく、寄生RNAもまた宿主に対応するように系統を多様化させていきました。

そして世代を重ねるごとに枝分かれは加速し、さらに数多くの種がうまれたのです。

そういう意味では、この自己複製システムにとって、寄生RNAの存在は種の誕生の出発点として必要不可欠な存在だと言えるでしょう。

現実の生物の世界においても、新たな種の出現においてウイルスは重要な働きをしていることが知られています。

通常の進化は既存の生物の既存の要素(体の大きさや手足の長さ)を強めたり弱めたりすることで発生しますが、ウイルス感染によって生じる進化は一種の劇薬であり、元となる生物がこれまで全く持っていなかった要素を追加し、外見や身体機能を劇的に変化させます。

有名な例では「胎盤」の獲得があげられます。

それまで陸上動物は卵生でしたが、ウイルス感染によってもたらされた変異は、哺乳類の祖先にこれまで全く要素がなかった「胎盤」を持たせ、胎児を子宮で育てることを可能にしました。

競争・変異・多様化は生命発生以前から続いていた

現生生物の系統樹も競争・変異・多様化の繰り返しで形成された/Credit:wikipedia

今回の進化実験は、単一のRNAからスタートしています。

はじめは1種類しかなかったRNAが、複製の過程で自己の一部から寄生体をうみ、寄生体との生存競争から種がうまれ、多様化がはじまりました。

論文が書かれた時点で300世代まで継代された自己複製系はその後も維持され、現在も進化は続いているとのこと。

この加速する多様性と絶え間ない競争の果てに、生命誕生に必要なパーツが出そろい、ある時点で必然的に組み合わされて、生命が誕生したのかもしれません。

そうなれば競争・変異・多様化という現在まで続く生命進化は、生命誕生以前の分子レベルの自己複製系から続いていたことになります。

研究内容はフランス国立科学研究センターの古林太郎氏、および東京大学大学の市橋伯一教授らによってまとめられ、7月21日に学術雑誌『eLife』に掲載されました。

Emergence and diversification of a host-parasite RNA ecosystem through Darwinian evolution
https://elifesciences.org/articles/56038

健康なヒト細胞の中で「四重らせん構造のDNA」を初めて確認! 四本鎖DNAのはたらきとは?

reference: 東京大学 / written by katsu
みなさんのおかげでナゾロジーの記事が「Googleニュース」で読めるようになりました!
Google ニュースを使えば、ナゾロジーの記事はもちろん国内外のニュースをまとめて見られて便利です。
ボタンからダウンロード後は、ぜひフォローよろしくおねがいします。

Google Play で手に入れよう
apple store

あわせて読みたい

SHARE

TAG