東京薬科大学が、全生物共通祖先生物の生育温度の実験による推定に成功――生命の起源の解明に期待

2013/06/18 | ジャンル: 先端研究 その他

東京薬科大学生命科学部の山岸明彦教授、赤沼哲史助教、横堀伸一講師らの研究グループは、進化系統解析と遺伝子工学によって復元した祖先タンパク質の耐熱性を調べ、「コモノート」と名付けた地球における全生物共通の祖先生物は75℃以上の高温環境で生息していたことを実験により推定した。この研究の手法を用いることにより、将来、生命の起源の解明に向けた有力な手掛かりが得られることが期待される。またこの成果は、米国科学アカデミー紀要「Proceedings of the National Academy Sciences of the USA」に掲載されるのに先立ち、6月17日の週、オンライン版に掲載される。


<研究の背景と経緯>
 地球上のすべての生物は、おおまかには共通の遺伝の仕組み、タンパク質をつくる仕組み、そして共通の代謝系を持っています。
 こうしたことから、地球上の全生物は一つの共通祖先生物、あるいは、少なくとも一つの種から進化してきたのではないかと考えられています。生命の起源を研究する研究者たちは、全生物共通祖先についての理解を深めるため、特に全生物共通の祖先生物が生息していた環境温度に着目して理論的な研究をおこなってきました。これらの研究では、主として祖先生物が持っていたタンパク質合成に関わるRNAの塩基組成、あるいは、祖先生物が持っていたタンパク質のアミノ酸組成を計算し、生育温度を推定してきました。
 しかし、塩基組成、アミノ酸組成を計算する方法や、計算に用いたデータセットの違いによって、全生物共通祖先は常(低)温菌であったとする説と好熱菌(注1)であったとする説の両方の結論が得られており、統一的な結論は出されていませんでした。
 さらに、全生物共通祖先が生息していた環境温度を実験データに基づいて推定した例はありませんでした。
 東京薬科大学の山岸明彦教授、赤沼哲史助教、横堀伸一講師らの研究グループは、祖先生物が持っていたと思われるタンパク質のアミノ酸配列を推定し、そのアミノ酸配列を持つタンパク質を実際に復元し解析することによって、「コモノート」(注2)と名付けた全生物共通祖先生物が、75℃以上の高温環境に生息していた好熱菌であったことを示す実験的な証拠を得ることに成功しました。

<研究内容>
 ヌクレオシド二リン酸キナーゼ(NDK)は、真正細菌、古細菌、真核生物(注3)のほとんどが持つタンパク質であり、コモノートも持っていたと考えられます。さらに、NDKの変性温度は、そのNDKを持つ生物の至適生育温度と正の相関関係があることが分かりました(図1)。
 したがって、祖先生物が持っていたNDKを復元し、その変性温度を調べることによって、祖先生物の生育温度を実験的に推定することができます。研究グループは、現存生物種が持つNDKのアミノ酸配列を比較することによって3種類の進化系統樹(注4)を作成し(図2)、それぞれの進化系統樹の根元付近の古細菌祖先に相当する祖先型NDKのアミノ酸配列(Arc3~5)と真正細菌祖先に相当するアミノ酸配列(Bac3~5)を推定しました。
 次に推定されたアミノ酸配列をコードする遺伝子を遺伝子工学的手法により合成し、大腸菌内で発現させ、祖先型NDKを精製しました。祖先型NDKの変性温度を解析したところ、すべての祖先型NDKは100℃以上まで変性しない高い耐熱性を持つタンパク質であることが明らかとなりました(表1)。
 さらに、図1の検量線を用いて、真正細菌祖先生物と古細菌祖先生物の生育温度を推定したところ、古細菌祖先生物は92〜97℃、真正細菌祖先は84〜94℃で生育していたことが推定されました。
 次に、全生物の共通祖先生物コモノートが持っていたNDKの耐熱性に着目しました。祖先配列の推定には無根系統樹(注5)を用いていたので、コモノートのNDK配列を直接推定することはできませんでした。古細菌祖先NDKと真正細菌祖先NDKのアミノ酸配列を比較したところ、全139アミノ酸残基部位のうち、115部位は共通のアミノ酸種であることが分かりました。
 したがって、この115部位に関しては、コモノートのNDK配列も同じアミノ酸種を持っていたと予想できます。残りの24部位に関しても、コモノートのNDKは古細菌祖先か真正細菌祖先のどちらかのタイプのアミノ酸を持っていたと予想できます。この考えに従うと、コモノートのアミノ酸配列として約1.3×108配列があり得ることになります。
 そこで、研究グループは約1.3×108配列の中から最も耐熱性を低下させる配列を探すことにしました。復元した祖先型NDKの中で最も耐熱性の低かったBac4の24部位に、他の祖先型配列で見られるアミノ酸を一つずつ導入した29変異体を作製し、変性温度を調べました(図3A)。さらに、変性温度を低下させたアミノ酸置換を同時にすべて導入したBac4mut4-Nも作製しました。また、単独では耐熱性を向上させる、あるいは、耐熱性に影響しないアミノ酸置換も、別のアミノ酸置換と同時に導入すると変性温度を低下させる可能性があります。
 そこで、Bac4に導入した29アミノ酸置換のうち比較的近距離にある複数のアミノ酸置換を同時にBac4mut4-Nに導入し、アミノ酸置換を組み合わせた場合の変性温度に与える影響を調べました(図3B)。そして、変性温度を低下させたアミノ酸置換の組み合わせを同時にBac4mut4-Nに導入し、Bac4mut7を作製しました。
 Bac4mut7は、コモノートのNDKのあり得るアミノ酸配列の中で最も変性温度が低い配列であると考えられ、且つ、Bac4mut7の変性温度は94℃であったことから、コモノートは75℃以上で生育していた高度好熱菌、または超好熱菌(注1)であったと推定されました(図4)。

<今後の期待>
 コモノートについては、ゲノムの種類、生体膜を構成する極性脂質の光学活性、生育温度など、多くのことに関してはっきりとした答えは出ていません。本研究の手法を用いて多くのコモノートの遺伝子を復元することにより、生育温度以外のコモノートの性質についても、明らかにできると考えられます。近い将来、多数のコモノートの遺伝子が復元され、その遺伝子から合成されるタンパク質の性質が次々と明らかになってくれば、コモノートがどのような生物であったかが次第に判明し、生命の起源の解明に向けた有力な手がかりが得られると期待されます。

【用語解説】
注1) 好熱菌:50℃以上の高温で生育する微生物。好熱菌の中でも50〜80℃で生育する微生物を高度好熱菌、80℃以上の高温で生育する微生物を超好熱菌と呼ぶ。
注2) コモノート:現存地球生物が持つ核酸塩基配列やタンパク質アミノ酸配列の種間比較から、地球生物の進化系統樹を作ることができる。この系統樹から、すべての地球生物は一つの共通の祖先生物から進化してきたことがわかる。この共通祖先生物のことを「最後の共通祖先(the Last Universal Common Ancestor: LUCA)」または「コモノート」と呼ぶ。
注3) 真正細菌、古細菌、真核生物:地球の全生物を、タンパク質合成に関わるRNAの塩基配列の類似性に基づいて分類すると、真正細菌、古細菌、真核生物の3つのドメインに分けることができる。それぞれのドメインは単系統群となり、それぞれのドメインに属するすべての生物種は、それぞれのドメインにおける共通祖先から進化したと考えられている。
注4) 進化系統樹:生物が進化してきた道筋を、樹木が枝分かれする様子になぞらえて描いたもの。
注5) 無根系統樹:系統樹のうち根を持たないもの。系統樹は現存する生物の遺伝子情報から作製するので、本来、原生の生物間の類縁性しか知ることができない。これらに何らかの情報を加えて、祖先が分岐した位置を示したのが根と呼ばれる。根の位置は共通祖先の位置に相当するので、無根系統樹は進化の出発点を示していないことになる。

【発表雑誌】
雑誌名:Proceedings of the National Academy Sciences of the USA
論文名:Experimental evidence for the thermophilicity of ancestral life
掲載日:2013年6月17日の週(オンライン版)

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 東京薬科大学 生命科学部 極限環境生物学研究室 教授 山岸明彦、助教 赤沼哲史
 TEL: 042-676-7139
 FAX: 042-676-7145
 E-Mail: yamagish@toyaku.ac.jp(山岸)/akanuma@toyaku.ac.jp(赤沼)

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