ポリプロイディーが生物の特性進化にどんな影響を与えるか

新しい特性が生物にどう現れるかって、バイオロジーでは大きな問いなんだ。科学者たちは何年もかけて、特性が集団でどう変わるかのアイデアを考えてきた。彼らは理論と大規模なデータ研究を使って、特性の進化について学んできた。でも、まったく新しい特性がどうやって生まれるかを理解するのは難しい。なぜなら、それにはあまり起こらない珍しい出来事が関わっていることが多いから。

一つの重要な研究分野は、シアノバクテリアという特別な種類のバクテリアに注目している。これらのバクテリアは、いろんな形を持ってて、水中や土壌など様々な環境に見られる。この多様性は、他のバクテリアよりも新しい特性を発展させるのが得意かもしれないって示唆してる。シアノバクテリアと他のバクテリアの大きな違いは、多くのシアノバクテリアが複数の染色体セットを持ってることで、これを多倍体って呼ぶんだ。興味深いことに、多くの海洋シアノバクテリアは光合成をするけど、通常は染色体が一セットだけで、形もシンプルなんだ。

多倍体は、極端な環境に生息している古代の単細胞生物にも見られる。これらの生物がそんな厳しい条件に適応できる理由は明らかじゃないけど、多倍体バクテリアの存在が新しい特性の形成に影響を与えるかもしれない。多倍体がバクテリアにどう影響するかを調査した研究もあるけど、進化全体への影響にはあまり焦点が当てられていない。

最近、研究者たちは多倍体が医療にどう役立つかに気づき始めた。細胞壁を持たず、多倍体であるバクテリアは、さまざまな薬に対する耐性を簡単に発展させることができる。また、人間の体内の腫瘍細胞もストレス下で大きくなって多倍体になることがある。この細胞は多倍体巨大癌細胞と呼ばれ、癌が治療に抵抗し拡がる方法に関与していて、新しい特性が発展するって考えとつながってる。

じゃあ、多倍体は実際に新しい特性の形成をどう促進するんだろう？二つの対立するアイデアがある。一つは、たくさんの染色体コピーが突然変異の影響を薄めて、変化が現れにくくするかもしれないって考え。これによると、複数の染色体セットを持つ生物の進化の速度は遅いはず。もう一つの考えは、余分な染色体コピーが新しい機能が発展する機会を増やすってことで、追加の遺伝子が違う役割を担えるから。

このアイデアを探るために、研究者たちは多倍体生物が進化する様子を表すシンプルなモデルを作った。特定の条件下では、多倍体生物の進化の速度が一つの染色体セットを持つ生物よりも遅くなることが分かった。でも、厳しい障壁を越えて生き残る必要がある複雑な環境では、より多くの染色体セットを持つことで新しい特性が発展する可能性が高まった。

研究者たちは、特性の働きについていくつかの単純化した仮定を立てた。彼らは、特性が染色体上にある遺伝子の活動に依存していることを見た。各細胞は似たようだけど少し違う遺伝子を持った複数の染色体コピーを持っていた。そして、時間の経過とともに特性がどう変わるかを考慮して、特に生物が染色体を受け継ぐ方法が進化にどう影響を与えるかを見た。

二つの主要な遺伝様式が調べられた。一つの様式では、親細胞から全ての染色体が娘細胞に正確に受け継がれる。もう一つの様式では、娘細胞は親から染色体のランダムなミックスを受け取り、いくつかの染色体は複製され、他のは全く受け継がれないこともある。研究によると、多くのバクテリアは染色体をランダムに受け継ぐ。

次に、様々な遺伝様式が特性の進化にどう影響するかを調べた。最初の様式では、細胞が多くの染色体を持っていると、突然変異の影響が薄まり、進化が遅くなるかもしれない。一方、ランダムな遺伝が関与している場合は、複製された染色体が高い変異をもたらし、進化の変化を速めることが分かった。

これをより理解するために、研究者たちは細胞が理論的な適応的ピークから別のピークにジャンプする様子を調査した。これはしばしば難しい、なぜなら大きな変化が必要かもしれないから。彼らは、染色体の数が増えるにつれて成功するジャンプのチャンスがあるポイントまでは増え、その後は減少することが分かった。

要するに、このモデルは新しい特性を進化させるための最適な染色体数があることを示している。この数は、いろいろなシアノバクテリアの種で見られる染色体の数に似ているかもしれない。この発見は、これらのバクテリアの染色体の数が適応する能力を最大化するために進化してきた可能性を示唆している。

研究者たちは、他のより広い影響についても調べた。彼らは、自分たちの発見がシアノバクテリアだけでなく他の生物にも適用できるかもしれないと示唆した。たとえば、多倍体巨大癌細胞や薬に耐性を持った特定のバクテリアも、この特性の変化のモデルに合うかもしれない。

さらに、彼らの理論は、オキシルティングのように、特定の遺伝物質のコピーが多い場合のケースを説明するのにも役立つかもしれない。特定の生物におけるネイティブプラスミドの典型的な数は、この研究で決定された最適な染色体数とよく合致している。

研究者たちはまた、全ゲノム重複のような出来事の後に生物が多様化する方法にも自分たちの研究を結びつけた。彼らは、これらの出来事の後の進化の初期段階が、多倍体生物で見られるパターンに似たものを示すかもしれないと考察した。

この研究は、生物の遺伝的構成が革新する能力にどんな影響を与えるかについて貴重な洞察を提供する。多倍体に焦点を当てた研究だけど、さまざまな生命体の適応のメカニズムを解明するための今後の研究の基盤も築いている。さらに多くの研究が計画されていて、科学者たちは生物が生きる環境の中で遺伝子、特性、そしてそれらの複雑な相互作用が秘める進化の秘密を明らかにしたいと思っている。