発展と進化をつなぐ:砂時計モデル
発達段階が種間で共通のパターンを示すっていう研究。
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進化と生物の発達は生物学で密接に関連してる。科学者たちはこの2つの分野を結びつけるルールを探ろうとしてるんだ。一つ注目を集めてるアイデアは「発達の砂時計」モデルって呼ばれてる。このモデルは、多細胞生物が発達する時、成長の特定の中間段階で共通点が多いことを示唆してる。この段階でその群れに共通する特徴が初めて現れるんだ。
発達の砂時計モデル
発達の砂時計モデルは、共通の祖先を持つ生物群では、その胚が発達のある時点で非常に似ているって言ってる。この類似性は、中間段階、つまり系統的段階でピークに達する。この時期に多くの重要な特徴が形成され始めるんだ。
最近の研究がこのアイデアを支持してる。研究者たちはコンピューター分析を使って、脊椎動物、植物、菌類などのさまざまな生物群でこの砂時計の形が現れることを確認した。でも、この類似性が単なる偶然なのか、それともこれらの生物が進化する上で必要な部分なのかまだ議論があるんだ。
砂時計の背後にあるメカニズムを調査する
発達の砂時計が何を原因にしているのかを探るのは難しい。いくつかの研究では、これが生物が発達する際の制約によるものかもしれないと示唆している。研究者たちは、発達制約、つまり生物がどのように変化できるかについての制限がこのパターンを生み出す大きな役割を果たすと提案している。
これらのメカニズムをより理解するために、科学者たちは過去20年間、発達のコンピューターシミュレーションを使ってきた。これらのシミュレーションは、研究者たちが仮想進化を繰り返すことを可能にし、発達と進化がどのように関連しているのかについてのさまざまなアイデアを試すことができる。
我々のシミュレーション研究
この研究では、発達の砂時計がどのように形成されるのかを探るためにコンピューターシミュレーションを行った。細胞が遺伝子の指示と互いの相互作用に基づいてどのように変化し、発達するかをシミュレートするモデルを作成した。我々の目標は、これらの要素を変えることで生物のさまざまな特徴の発達にどのような影響があるのかを見ることだった。
シミュレーションモデル
我々のモデルは、直線に並んだ細胞を持つ個体の集団で構成されていた。各個体は同じ遺伝子指示に従う細胞で構成されていた。生物学的に関連するフィットネス関数を設定した。つまり、より多くの種類の細胞を持つ個体は、より多くの機能を実行できるため、より適応性が高いと見なされた。この考えは、異なる細胞タイプが生物内でさまざまな役割を管理できるという現実の理解を反映している。
細胞タイプの定義
我々のシミュレーションでは、特定の遺伝子の活動に基づいて細胞タイプを定義した。遺伝子がオンまたはオフになると、それは特定の細胞タイプを示すことになる。我々は4つの対象遺伝子に焦点を当て、最大16種類の異なる細胞タイプを作成できるようにした。個体内の細胞タイプが多様であればあるほど、そのフィットネススコアは高くなる。
シミュレーションの実行
最初の段階では、単一の種を作成するために進化シミュレーションを一連行った。この種を得た後、クローンを作成し、元の種から分岐した新しい種を作成するために追加のシミュレーションを行った。これにより、成長と発達の過程でこれらの新しい種の発達過程が元の種にどれだけ似ているかを分析できた。
発達の動態の分析
シミュレーションした種ができたら、その遺伝子発現パターンが発達中にどのように変化するかを見た。同じ祖先から進化した2つの特定の個体を比較して、発達での類似点と相違点を調べた。
時間による類似性
我々は、発達の異なる段階での2つの個体間の遺伝子活動の類似性を測定した。その結果、類似性のピークは成長の中間地点で発生した。予想通り、この結果は発達の砂時計モデルを支持して、共通の祖先から分岐した種は発達の中間段階でより似ている傾向があることを示している。
系統的な類似性の範囲
我々はさらに、もっと早い共通の祖先から分岐した種のペアを調べることで、この類似性がどのように変化したかを見た。予想通り、最近分岐した種で類似性のピークは顕著だった。しかし、系統樹での距離が増えると、このピークは減少し、最終的には消えてしまった。これは、近い種がより明確な砂時計のパターンを共有していることを示している。
多面的な遺伝子と発達のボトルネック
我々の研究の追加の側面は、多面的な遺伝子の役割を調査することだった。これらは複数の特性に影響を与え、発達のボトルネック段階で主に発現することが示されている遺伝子なんだ。我々は、これらの多面的な遺伝子の数が砂時計のボトルネックでピークに達することを発見した。他の研究の以前の発見と一致している。
発達におけるバリアンスの削減
我々のシミュレーションのもう一つの興味深い側面は、同じ種のクローン間の遺伝子発現のバリエーションが発達ボトルネック中に最小限であったことだ。これは、個体の発達に差が少なく、この段階が子孫間の一貫性を促進することを示唆している。
我々の研究では、発現レベルが遅く変化する遺伝子がこれらのイベントのタイミングに重要な影響を与えることを示した。これらを「遅い遺伝子」と呼び、発達中の遺伝子発現の大きな動態を制御しているようだ。これらの活動は、発達の初期段階での変動を吸収するのに役立ち、より安定して予測可能なプロセスを導く。
遅い遺伝子の効果
我々が特定した遅い遺伝子は、他の遺伝子の発現のタイミングを制御する中心的な役割を担っている。発達の砂時計が進むにつれて、多くの遺伝子の発現がオンとオフの間で移動し、主にこれらの遅い遺伝子によって決定される。我々の発見は、これらの遅い遺伝子の活動のタイミングが発達のボトルネックの出現に密接に関連していることを示している。
遺伝子の進化的重要性
シミュレーションから、発達の砂時計を共有する種は、しばしば似たような遅い遺伝子を共有していることがわかった。それに対して、共通の祖先からかなり早く分岐した種は異なる遅い遺伝子を持ち、発達中に似たような発現パターンが見られなかった。これは、共通の遅い遺伝子の存在が、関連する種の間で砂時計パターンを保つのに重要であることを示唆している。
結論
要するに、我々のシミュレーション結果は発達の砂時計理論を強く支持している。共通の祖先から進化した種を比較することで、以下のことがわかった:
- 遺伝子発現パターンの類似性は発達の中間段階でピークに達し、砂時計モデルと一致してる。
- 多面的な遺伝子の数はボトルネック段階で最も高く、砂時計概念を強化している。
- 同じ種の個体間での遺伝子発現のバリアンスは、この重要な期間中に最小限に達した。
これらの発見は、遅い遺伝子が発達プロセスを形作る上で重要な役割を果たし、遺伝子発現のスケジュールを制御し、発達の砂時計の出現に寄与していることを示唆している。これらの遺伝子が変動を管理する方法は、進化的な強靭性を維持する重要な要因であり、世代を通じて適応性を可能にするだろう。
我々の研究は、遅い遺伝子の重要性と、多様な生命体に見られる進化のパターンにおける潜在的な役割のさらなる探求への扉を開く。これらのメカニズムをより理解することで、発達と進化の複雑な相互作用について貴重な洞察を得ることができる。
タイトル: Developmental hourglass: Verification by numerical evolution and elucidation by dynamical-systems theory
概要: Determining the general laws between evolution and development is a fundamental biological challenge. Developmental hourglasses have attracted increased attention as candidates for such laws, but the necessity of their emergence remains elusive. We conducted evolutionary simulations of developmental processes to confirm the emergence of the developmental hourglass and unveiled its establishment. We considered organisms consisting of cells containing identical gene networks that control morphogenesis and evolved them under selection pressure to induce more cell types. By computing the similarity between the spatial patterns of gene expression of two species that evolved from a common ancestor, a developmental hourglass was observed, that is, there was a correlation peak in the intermediate stage of development. The fraction of pleiotropic genes increased, whereas the variance in individuals decreased, consistent with previous experimental reports. Reduction of the unavoidable variance by initial or developmental noise, essential for survival, was achieved up to the hourglass bottleneck stage, followed by diversification in developmental processes, whose timing is controlled by the slow expression dynamics conserved among organisms sharing the hourglass. This study suggests why developmental hourglasses are observed within a certain phylogenetic range of species. Author SummaryUnderstanding the intriguing relationship between development and evolution in multicellular organisms has long been a challenge in biology. A recent hypothesis called the developmental hourglass proposes that there is a conserved middle stage during development across species of the same animal group. Despite growing evidence supporting this hypothesis, the underlying mechanisms and reasons for its emergence have remained elusive due to limited experimental data. To address this gap, we employed numerical evolution of gene regulation networks controlling pattern formation. Remarkably, our simulations revealed that species that diverged relatively recently in phylogeny displayed the highest similarity during the middle stage of development, which gradually diminished as they diverged further phylogenetically. Our findings satisfied not only the criteria of the developmental hourglass but also confirmed several essential characteristics of the developmental hourglass reported in recent experiments. Through theoretical analysis, we further demonstrated that the emergence of the developmental hourglass could be attributed to the acquisition of genes that change slowly and govern developmental processes, which also foster the robustness of development. By integrating computational simulations, theoretical insights, and previous experimental evidence, our study thus provides a comprehensive understanding of the developmental hourglass, which will unravel the intricate relationship between development and evolution.
著者: Kunihiko Kaneko, T. Kohsokabe, S. Kuratani
最終更新: 2024-01-28 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.05.542718
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.05.542718.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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