リサ・ポッター著、[email protected]
ウッドラットは、有毒な樹脂の化学カクテルで葉が覆われた低木であるクレオソートを大量に摂取できる唯一の動物の 1 つです。この生き物の体質は生物学者を驚かせており、進化の時間を超えて、動物はどのようにして致死的な食事に適応するのかという数十年にわたる議論を代表しています。解毒酵素はより特殊化するのでしょうか、それともより豊富になるのでしょうか?
の 勉強ユタ大学の生物学者が率いる研究チームは、ワラネズミが明らかな害を与えることなく、ほぼ致死量の食物を食べることを可能にする特定の遺伝子と酵素を初めて特定した。科学者らは、進化の歴史の中で独立してクレオソートに遭遇した2種のウッドラットの解毒経路を、クレオソートに一度も遭遇したことがない動物と比較した。
NMSUの生物学助教授テリー・オア氏は、進化と生態学的メカニズムに焦点を当てた研究を行っており、ワラネズミがどのようにして致死性の餌で生存し、繁栄することができるのかを解明する研究の共著者であり貢献者でもある。
クレオソートが南西部の一部に侵入する前、ウッドラットの個体群には、クレオソート毒素を処理する酵素をコードする遺伝子が少数しかありませんでした。クレオソートが成長して景観を支配するようになると、自然選択により解毒遺伝子の複製が大成功し、その結果、クレオソート毒素を除去する酵素を生成する遺伝子の数が大幅に増加しました。不思議なことに、これらの酵素はクレオソートの解毒にさらに特化したわけではなく、ただより多く存在しただけでした。
著者らは、遺伝子重複は動物が新しい環境圧力に最初に適応するための重要なメカニズムであると提案している。
「これらのワラネズミがクレオソートブッシュにさらされてからわずか1万5000年ほどです。進化の時間スケールからすると、それは非常に短い時間です」と、ユタ大学の博士研究員でこの研究の筆頭著者であるディラン・クルーア氏は言う。 「将来的には他の変化も起こるかもしれませんが、現時点では複製技術のおかげで、これほど急速に毒素耐性を獲得できるようになりました。」
の 勉強1月10日付けのサイエンス誌に掲載された「並行遺伝子拡張により草食ウッドラットの急速な食餌適応が促進される」。
動物が有毒化学物質に対する耐性をどのように進化させるかについては、2 つの主な仮説があります。 1 つ目は、新しい DNA 変異が既存の解毒酵素を改変して、毒素をより速く、より効率的に代謝することです。これは、より少量でより高品質のアプローチです。 2つ目は、解毒遺伝子とそれが産生する酵素はあまり変化しないが、進化の過程でその数が重複するため、動物は毒素の消費に応じてより多くの解毒酵素を産生できるようになり、量は増え、質は低くなるというアプローチである。
「この急速な遺伝子進化が昆虫で起こることはわかっていますが、哺乳類では実際には研究されていませんでした」とオア氏は言う。 「もちろん、私たちが私たち自身の生物学を理解しようとしているとき、特に気候変動や私たちの世界ですぐに起こると予想されているすべてのことを考慮すると、それは大きな問題です。この研究は、動物の生命がいかに急速に適応できるかを明らかにするものです。」
これまでの研究では、草食昆虫は化学物質をより速く代謝する特殊な酵素を使用して毒素を処理することがわかっています。 1970 年代以来、生物学者はこの「酵素の量より質」仮説を支持してきました。この研究では、まったく逆のことが分かりました。
「クレオソートを摂食するウッドラットは、クレオソート毒素を代謝するための特殊な酵素を持っておらず、さらに多くの、そして既存の多種多様な解毒酵素からの特別な酵素を持っていないことを発見しました」と主著者でユタ大学生物学教授のデニス・ディアリング氏は述べた。 「既存の遺伝子のこれらの重複により、生成される解毒酵素の量が増加し、より多くの毒素を除去できるようになります。」
デトックス DNA を深く掘り下げる
ディアリング氏と共同研究者は、回復力のあるものを研究しました。 ネオトーマ 何十年も続く齧歯動物。で 2022年、科学者たちは、クレオソート耐性の範囲を明らかにした研究を発表しました。彼らは一種類のウッドラットを集めました。 いや、いいですね、南西部の現代のクレオソートブッシュの範囲全体から、およびクレオソートの範囲外のウッドラットから。研究室での食餌試験では、個々のウッドラットの耐性レベルが異なることが観察され、中には 100% クレオソートブッシュの葉を食べるのと同等の食餌でも生きていける個体もいた。
より最近の研究によると、 2024年 超耐性者に関する研究により、彼らの優れた解毒能力の根底にある潜在的な候補遺伝子のリストが明らかになりました。この新しい研究では、クレオソート耐性を持つ人々とクレオソートに敏感な人々の両方の多数の集団を含むように分析を拡張しました。 いや、いいですね とともに N. ブライアンティ、同じくクレオソートを食べるために独自に進化したウッドラット種。まず、研究者らはすべての動物に同じ低用量のクレオソート毒素を与え、クレオソート耐性のウッドラットとクレオソート感受性のウッドラットの肝臓における遺伝子活性を比較した。次に、耐性ウッドラットと感受性ウッドラットの違いを DNA レベルで調べたところ、両方の種で深くて驚くほど一貫したゲノム変化が見られました。
「最初の実験から、寛容なウッドラットと感受性の高いウッドラットで異なって活性化される遺伝子のリストが得られました。別のゲノム研究では、各遺伝子のコピー数など、DNA のどの配列がゲノム内で異なっているかがわかりました。これら 2 つの結果が交差することで、非常に興味深い解毒遺伝子が導き出されました」と、共著者であるユタ大学生物学教授のマイケル・シャピロ氏は述べています。
重複遺伝子の一部は、人間にとって重要な解毒機構であるグルクロン酸抱合経路の一部です。グルクロン酸抱合経路は、人間のすべての医薬品の 5 分の 1 を代謝する役割を担っているため、数え切れないほどの医学研究の焦点となっています。最も耐性のあるウッドラットは、1 つの特定のグルクロン酸抱合遺伝子のコピーを 40 近く持っていました。対照的に、人間は最も近い遺伝子のコピーを 2 つしか持っていません。
氷河期は自然実験をもたらす
ウッドラットは、そのユニークな自然史により、急速な進化のルーツを研究するのに最適です。約 26,000 年前の最終氷期極大期、地球は著しく寒く乾燥していました。例外は北アメリカ南西部で、ユタ州のボンネビル湖など、水が豊富な緑豊かな風景にジェット気流が豪雨をもたらした。約 2 万年前、大規模な地球温暖化によりこの地域は乾燥し、標高の低い温帯地形は、南から忍び寄る干ばつに強いクレオソートの低木に覆われました。
同様の地理的地域に属する同じ種の集団が遺伝子コピー数にこれほどの差異を示すことは珍しいことです。ウッドラットの場合、遺伝子コピー数の増加はクレオソート毒素への適応によるものと考えられます。遺伝子コピー数が最も多かったげっ歯類は、クレオソートが最も長く存在していた地域の出身です。
「クレオソートが侵入すると、そのまま乗っ取られてしまいます。ある意味、適応するか死ぬかのような状況だ」とクルア氏は語った。 「考えられるシナリオは、最初はたまたま一部の動物が他の動物よりも解毒遺伝子のコピーを多く持っており、その植物を食べるのに十分な耐性を持っていたということです。彼らは生きて子孫を残し、その子孫が追加のコピーを運んでいました。時間が経つにつれて、自然選択がこれらの人々に有利になり、その結果、これらの解毒遺伝子が信じられないほど高いレベルまで拡大しました。」
この研究は、哺乳類のゲノムが新しい食餌や有毒な環境化合物に適応する柔軟性を持っていることを明らかにしました。ウッドラットは、なぜ個々の人間の薬物代謝が異なるのかを理解するためのモデルとして機能する可能性さえある。人間の解毒遺伝子数にはばらつきがあり、これは有毒な植物ベースの食事の摂取によって引き起こされたと考えられています。 Woodrats は、制御されたシステムでこの仮説をテストする機会を提供します。
もう一人の共著者はユタ大学のロバート・グリーンハルグ氏です。この研究は、国立科学財団、国立衛生研究所、ユタ大学地球変動・持続可能性センター、および大学院研究フェローシップから資金提供を受けました。
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カットライン: ウッドラット (いい数字です） 2つの主食の間。ジュニパー（左、祖先の食事）とクレオソートブッシュ（右、この種の新しい食事）。 (写真提供：M.ドゥーラン)
カットライン: N. レピダと N. ブライアンティの進化的関係、およびジュニパーとクレオソート ブッシュへの歴史的曝露。暴露タイムラインは、化石化したウッドラットの次の植物材料の放射性炭素年代測定に基づいています。 (Klure et.al.、Science (2025) より転載
カットライン: 野生のワラネズミを捕獲するためにカリフォルニアで野外調査を行っているチームの一員。 (写真提供：テリー・オア)
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