真核細胞の進化に関する新しい洞察

長い間、科学者たちは複雑な細胞、つまり真核細胞がどのようにしてできたのかに興味を持ってきたんだ。真核細胞は植物、動物、菌類、そして多くの微生物を構成している。このタイプの細胞は、地球上の生命の進化における大きなステップと考えられているんだけど、これらの細胞がよりシンプルな細胞、すなわち原核細胞からどのように進化したのかはまだ完全には理解されていない。

約20億年前に、最初の真核細胞が現れたと言われている。これらは、古細菌と呼ばれるグループに関係する宿主細胞と、最終的にミトコンドリアになった細菌細胞とのパートナーシップを通じて生まれたと考えられている。ミトコンドリアはエネルギー生産を担う真核細胞の重要な部分だ。科学者たちはその細菌のパートナーがアルファプロテオバクテリアに属していることを特定したけど、古細菌の宿主については最近の発見まで不明だった。

最近のアスガルド古細菌の発見が状況を一変させた。これらの微生物は、真核生物が進化した祖先の古細菌宿主細胞の最も近い親戚と考えられている。アスガルド古細菌のゲノムを研究することで、以前は真核細胞特有だと思われていた多くのタンパク質が見つかった。これらのタンパク質は、真核細胞に見られる複雑な構造や機能を形成するのに必要で、細胞内の物質輸送や形状の維持に関与している。

これらのつながりがいくつか確認されているけど、現在のアスガルド古細菌の具体的な特徴と祖先の真核細胞との関係はまだ不明なままだ。これらの側面を理解することで、研究者たちがこれらの初期細胞がどんなものだったのか、どのように機能したのかを推測する手助けになるかもしれない。

#重要なタンパク質の特定の課題

これらの重要なタンパク質を見つけて調べる試みは、いくつかの問題によって複雑になっている。まず、どのタンパク質を真核細胞特有タンパク質（ESP）と呼ぶかを定義するのが難しいことがわかった。多くの生物のゲノムを調べる技術が進歩した結果、真核生物特有だと思われていた多くのタンパク質が実際には原核生物に由来していることが判明した。これにより、多くのタンパク質の起源についての理解が広がる一方、真核生物特有と厳密に分類できるタンパク質の数が減ってしまった。

そのため、ESPの定義をより柔軟にするアプローチが採用され、重要な生物学的プロセスに関与するタンパク質に焦点が当てられることになった。ただ、このアプローチには独自の課題がある。特に、酵母や人間のような一般的なモデル生物に見られないタンパク質については理解が不十分なんだ。

もう一つの問題は、タンパク質間の類似性を判断する際に起こる。タンパク質の配列間の類似性が減少すると、それらの間のつながりを確立するのが難しくなる。真核生物とその最も近い親戚である古細菌との間の隔たりは、最も長い進化の道筋を示している。この距離によって、現代のアスガルド古細菌と真核生物の配列は非常に異なる可能性があり、敏感な方法を使っても比較が難しい。

ただ、タンパク質の構造は、その配列に比べて時間とともにより安定している傾向がある。新しいツールを使ったタンパク質構造の予測に関する最近の進展により、タンパク質の信頼できるモデルを作成できるようになった。このモデルを使うことで、研究者たちはもはや配列だけでなく形状を調べることで、タンパク質の遠い親戚を見つけることができるようになった。

#アスガルド古細菌のパンゲノムの分析

この研究では、研究者たちは最近のタンパク質構造予測の進展を利用してアスガルド古細菌の新しいESPを探した。アスガルド古細菌の大規模なゲノムコレクションを調べることで、タンパク質をその類似性に基づいてグループ化した。このアプローチにより、真核細胞の進化に関連する可能性のある新しいESPが多数特定され、知られているタンパク質の数が大幅に増えた。

この大規模なデータセットを分析する中で、研究者たちは細胞プロセス、シグナル伝達、情報保存に関連する機能を持つ何千もの新しいタンパク質を発見した。これは、真核細胞の祖先が以前考えられていたよりも複雑だったことを示唆している。

構造解析では、研究者たちは膨大な数のタンパク質の高品質モデルを予測し、既存のデータベースでそれらの親戚を特定することでこれらのタンパク質を注釈づけ始めた。この方法は有望で、研究者たちが調べたタンパク質のかなりの割合で一致が見つかった。多くのこれらの一致は、配列の類似性が低くても、構造の類似性が異なる生物のタンパク質間のつながりを明らかにできることを示している。

#同型ESPの新発見

このプロセスを通じて、研究者たちは同型ESP（iESP）と呼ばれる新しいカテゴリのESPを発見した。これは、アスガルド古細菌由来で、真核タンパク質と似た構造を持っているけど、必ずしも配列が類似しているわけではないタンパク質たちだ。この発見は、最初の真核生物に関連する潜在的なESPの数を大幅に増やすものだ。

興味深いことに、以前特定された多くのESPは、真核タンパク質とのつながりが限られていることがわかった。これは、過去に使われた定義があまりにも広すぎて、多くの潜在的な候補を見落としていた可能性があることを意味している。

さらに探る中で、研究者たちは細胞プロセスやシグナル伝達、さらには代謝機能に関与するいくつかの重要なタンパク質を特定した。新たに特定されたタンパク質の中には、DNA修復やストレス応答に関与する真核タンパク質と類似性を持つものもあった。こうした発見は、アスガルド古細菌が複雑な細胞の進化に寄与した重要な細胞機能をいくつか持っていた可能性があることを示している。

#細胞の複雑性理解への影響

複雑な細胞構造の出現は、真核細胞の特異な特徴だ。しかし、これらの構造を形成するために関与している多くの遺伝子の起源は謎のままなんだ。研究者たちは、構造は異なるけど配列の類似性が限られているiESPを調べることで、細胞の組織化や区画化に関与するアスガルド古細菌のタンパク質を明らかにしようとしている。

最近注目を集めた特定の複合体はバルトで、これは真核細胞に見られる大きなリボ核タンパク質構造で、さまざまな細胞機能に関与している。研究者たちは、アスガルド古細菌がバルトの主要な構造成分に似たタンパク質を持っていることを発見した。これは、アスガルド古細菌のタンパク質と真核細胞におけるバルトの機能との進化的な関連を示唆しているかもしれない。

もう一つの重要な発見は、細胞内でのタンパク質輸送に必要なCOMMDタンパク質複合体に関するもので、以前はこの複合体に明確な原核生物の親戚がなかったにもかかわらず、アスガルド古細菌にはCOMMDタンパク質に非常に似た構造が見つかった。このことは、重要な細胞機能に関与するタンパク質の一部が古細菌に起源を持つことをさらに示唆している。

#結論

タンパク質構造の予測と分析方法の進展は、タンパク質の起源や機能を追う強力なツールになっている。この研究の結果は、アスガルド古細菌が複雑な細胞の初期発展についての重要な洞察を持っている可能性があることを浮き彫りにしている。配列の比較を超えてタンパク質の特定を広げることで、研究者たちは真核細胞がどのように出現したのかをより明確に理解し始めている。

新たに発見されたiESPとそれらが重要な生物学的機能に果たす可能性のある役割は、現代の真核生物に至るまでの初期の進化系統の複雑さを強調している。これらのタンパク質の具体的な役割について多くの疑問が残る一方、アスガルド古細菌に関する研究は有望だ。これにより、地球上の生命の歴史と進化に光が当たり、現代の複雑な生命形態をもたらした古代生物たちの間の豊かな相互作用が明らかにされるだろう。さらなる研究が進むことで、初期の細胞生命がどのように今日の多様な形態に変化していったのかが、引き続き進化していくはずだ。