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2024-08-18 00:34:15
新しい研究により、神経シグナル伝達に重要なタンパク質、特にシェーカーファミリーのカリウムイオンチャネルは神経系の進化より前から存在し、初期の単細胞生物に存在していたことが明らかになりました。これは、それらの進化のタイムラインに関するこれまでの概念に疑問を投げかけ、神経系の基礎要素が考えられていたよりも早く確立されたことを示唆しています。
新たな研究により、特定のイオンチャネルが動物の最も古い共通祖先より前から存在していたことが明らかになった。
最近の研究は、神経系の電気信号伝達に不可欠な主要タンパク質の従来の理解を書き換えた。 ペンシルベニア州立大学この研究では、よく知られたタンパク質ファミリー（シェーカーファミリーのカリウムイオンチャネル）が、すべての動物の共通祖先よりもずっと前から、微細な単細胞生物に存在していたことが明らかになりました。
これは、これらのイオンチャネルが、これまで考えられていたように神経系とともに進化したのではなく、神経系の起源以前から存在していたことを示唆しています。
この研究は、 米国科学アカデミー紀要。
「進化はますます複雑化していく一方通行だと考えがちですが、自然界ではそうではないことが多々あります」と、ペンシルベニア州立大学エバリー科学大学の生物学准教授で研究チームのリーダーであるティモシー・ジェグラ氏は語る。「例えば、さまざまな種類の動物が進化し、神経系がより複雑になると、その複雑さに合わせてイオンチャネルが出現し、多様化すると考えられてきました。しかし、私たちの研究はそうではないことを示唆しています。私たちは以前、最も古い現生動物、つまり単純な神経網を持つ動物が最もイオンチャネルの多様性が高いことを示しました。この新しい発見は、神経系の構成要素の多くが、神経系が存在する前から、私たちの原生動物の祖先がすでに備えていたという証拠をさらに裏付けるものです。」
イオンチャネルを理解する
イオン チャネルは細胞膜にあり、イオンと呼ばれる荷電粒子が細胞に出入りする様子を制御します。このプロセスにより、神経系のコミュニケーションの基礎となる電気信号が生まれます。シェーカー イオン チャネル ファミリーは、人間からマウス、ショウジョウバエまで、さまざまな動物に見られ、特にカリウム イオンが細胞からどのように流れ出て活動電位と呼ばれる電気信号を終了させるかを制御しています。これらのチャネルは、コンピュータ チップのトランジスタのように、電界の変化に基づいて開いたり閉じたりします。
「イオンチャネルが分子レベルでどのように機能するかについて私たちが知っていることの多くは、シェーカー イオンチャネル ファミリーのメカニズム研究から得られたものです」とジェグラ氏は言います。「これまで、シェーカー 電位依存性カリウム チャネル ファミリーは動物にのみ存在すると考えられていましたが、現在では、このイオンチャネル ファミリーをコードする遺伝子が、現生動物に最も近い種である襟鞭毛藻類と呼ばれる単細胞生物のグループのいくつかの種に存在することがわかっています。」
研究者らはこれまで、2種の襟鞭毛藻類でこれらの遺伝子を探したが、発見できなかった。今回の研究では、21種の襟鞭毛藻類に検索範囲を広げ、そのうち3種でシェーカーファミリー遺伝子の証拠を発見した。
イオンチャネルの種類の進化
動物界には、シェーカー ファミリーのイオン チャネルのいくつかのサブファミリー、またはタイプが存在します。研究チームは以前、比較的単純な「神経網」を持つ動物で、最も初期の動物の神経系に似ていると考えられているクシクラゲには、Kv1 と呼ばれるタイプの 1 つしか存在しないことを発見しました。このことから、チームは動物の共通祖先はおそらく Kv1 のみを持ち、他のタイプは後から進化したと確信しました。しかし、ジェグラ氏と同僚は、襟鞭毛藻類のシェーカー ファミリー遺伝子は、Kv2、Kv3、および Kv4 タイプとより密接に関連していることを発見しました。
「タイプ2からタイプ4は比較的新しいタイムラインで進化したと考えられていましたが、私たちの新しい研究は、襟鞭毛藻類に見られるKv2-4のようなチャネルが実際には最も古いサブタイプであることを示唆しています」とジェグラ氏は述べた。
さらに、この発見は、動物の系統樹の根元に、クシクラゲに見られる Kv1 や襟鞭毛藻に見られる Kv2-4 のようなチャネルなど、複数のサブタイプが存在していたことを示しています。
「Kv2-4 様遺伝子は、クシクラゲや海綿動物などの最古の動物群の現存する子孫では失われているため、最古の動物に存在していたことがわかっているのは、襟鞭毛藻類のおかげです」とジェグラ氏は付け加えた。「遺伝子喪失は進化において非常に一般的で、新しい遺伝子の進化と同じくらい一般的ですが、検出が難しい場合があります。現在では、遺伝子配列の解析が安価になり、科学者はいくつかの代表的な種を調べるのではなく、種を広くサンプリングできるため、これらの遺伝子喪失をさらに多く検出できます。これにより、私たち自身の遺伝子ファミリーの多くが最初にどのように進化したかという見方が変わるでしょう。」
ジェグラ氏は、この研究は、神経系全体が進化する前から神経系の多くの要素が存在していたことを示す証拠をさらに裏付けるものだと指摘した。
「神経伝達と神経筋運動の基礎となる電気信号伝達に使われる機能的に重要なタンパク質のほとんどは、動物より前に存在していたタンパク質に基づいています」とジェグラ氏は言う。「動物が進化のごく初期に機能する神経系を作り上げることができたのは、必要なタンパク質のほとんどがすでに存在していたからにほかなりません。」
ジェグラ氏は、これらのイオンチャネルがどのように進化したかを理解することは、それらがどのように機能するかを理解するのに役立ち、ひいては心臓不整脈やてんかんなど、イオンチャネルの機能不全に関連する疾患の治療に影響を与える可能性があると付け加えた。
参考文献:「襟鞭毛藻類の広範な調査により、動物の電位依存性 K+ チャネルの Shaker ファミリーの進化史が改訂される」Timothy Jegla、Benjamin T. Simonson、J. David Spafford、2024 年 7 月 17 日、米国科学アカデミー紀要。
翻訳: 10.1073/pnas.2407461121
研究チームには、ジェグラ氏のほか、ペンシルバニア州立大学のハック生命科学研究所とエバリー科学大学の分子・細胞・統合生命科学プログラムの大学院生で、最近博士論文を審査されたベンジャミン・サイモンソン氏と、襟鞭毛藻類の生理学を専門とするウォータールー大学の生物学准教授デビッド・スパフォード氏も参加している。この研究は、ペンシルバニア州立大学生物学部とハック生命科学研究所からの資金援助を受けて行われた。
#古代の単細胞生物から神経系の構成要素が発見される