生物の形を決める遺伝子スイッチ

S. B. キャロル(ウィスコンシン大学マディソン校)
B. プリュドム
N. ゴンペル(ともにマルセイユ・リュミニ発生生物学研究所)
200809

日経サイエンス 2008年9月号

9ページ
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 長い間,動物どうしの形態上の差異はゲノムの違いを反映したものだと考えられてきた。だから,ゲノムを比較すれば,違いを生み出している遺伝子を突き止められると思っていた。ところが,マウスやラット,イヌ,ヒト,チンパンジーなど哺乳類のゲノムを比較してみると,持っている遺伝子はどの動物も非常に似通っていた。それぞれの動物のゲノムに含まれる遺伝子の概数(ざっと2万個ほど)や,多くの遺伝子の位置関係は1億年以上にわたる進化の過程でかなりよく保たれてきた。
 遺伝子数や位置にまったく違いがないというのではない。しかし,遺伝子のリストを一見しただけでは,そのゲノムがマウスのものなのか,それともイヌやヒトのものなのかはわからない。例えば,マウスとヒトのゲノムを比較してみると,ヒトの遺伝子の少なくとも99%について,マウスでもそれに相当する遺伝子が見つかる。
 個々の遺伝子を詳細に調べても,やはり同じような種間の類似性が見られる。ある動物の遺伝子と,別の動物種でそれに相当する遺伝子のDNA配列を比べてみると,一般によく似ており,その遺伝子がコードするタンパク質も似ている。違いがあるとしても,それはその2種が共通祖先より分岐してから経過した時間の長さを反映したものにすぎない。このように,タンパク質をコードする遺伝子の配列は進化の過程でよく保存されてきた。だが,何だか不可解な気分になる。特に体の作りや模様などのパターンに関係する遺伝子のことを考えるとなおさらだ。
 受精卵から成体になるまでの発生期間中,動物の体の構造とパターン形成に使われる遺伝子は,遺伝子全体のごくわずか,10%未満にすぎない。残りの遺伝子はさまざまな臓器や組織の細胞の中で,日常的な活動を支えている。体の各部位の数(肋骨の本数など),サイズ,形状,色などに見られる違いを,動物間の解剖学的差異というが,そうした差異には体作りの遺伝子がかかわっているはずだ。実際,遺伝子は進化の上で中心的な役割を果たしており,そうした遺伝子の役割や,解剖学的発達に関連する過程についての研究は進化発生生物学(evolutionary development biology),略して「エボデボ(evo-devo)」と呼ばれている。
 私たちのようなエボデボの専門家にとって,体を作るタンパク質が,それ以外のタンパク質よりも,種によらず互いにより似通っているという発見はとても興味深いものだった。マウスとゾウのように形態が大きく異なる動物の体が,区別できないとてもよく似たタンパク質セットによって形作られているとは,どういうことだろう?
 同じことがヒトとチンパンジーとの間にもいえる。チンパンジーは現生の動物としては最もヒトに近く,そのタンパク質の大部分は,ヒトのタンパク質と非常によく似ている。各タンパク質を構成する数百個のアミノ酸のうち,異なるのはせいぜい1個か2個だ。それどころか,ヒトのタンパク質の29%は,チンパンジーのものとアミノ酸配列がまったく同じだ。
 つまり,タンパク質はそっくりなのに,解剖学的な差異は大きい。タンパク質と形態という2つのレベルでの進化にこのような隔たりがあるのをどう説明したらいいのだろう? 全ゲノムを収めたDNAのどこかに重要な違いがあり,それが進化を決定づけたに違いない。そうした違いを見つければいいのだが,それにはまずどこを探せばよいのだろう? これは,遺伝子自体を見つけるよりもはるかに難しいことがわかった。
 ヒトでは,DNAの中でタンパク質をコードする部分は,ゲノム全体の約1.5%にすぎない。遺伝情報を担う遺伝子は大海に浮かぶ孤島のようにぽつんぽつんと存在する。残りの非コードDNAの多くは,私たちが知るかぎりでは何の働きもしていないが,一部の非コード配列は遺伝子発現を調節するという非常に重要な仕事をしている。そして,そうした調節配列が進化のカギを握っていたのだ。
 遺伝子発現がいつどこで起こるかを指示しているのは,特定の非コード配列だ。この重要な役割を果たす配列は「エンハンサー」と呼ばれ,遺伝子スイッチの構成要素として,適切な時期と場所で遺伝子をオンやオフにする働きをする。スイッチのもう1つの構成要素である「転写因子」というタンパク質は,DNAの中からこのエンハンサーを見つけ出してそこに結合する。細胞の核内で転写因子がエンハンサーに結合すると,その遺伝子がオンになるかオフになるかが決まる。
 ここで最も重要なのは,遺伝子の中には複数のエンハンサーを持つものがあるという点だ。体の形態を決める遺伝子の場合は特にその傾向が強い。各エンハンサーは動物の一生を通じて,体の異なる部位で,そしてさまざまな時期に,それぞれ独自に遺伝子の発現を調節している。このエンハンサーに変異が起きると,それが制御している細胞でのみ影響が出る。体のほかの部分での遺伝子の働きを何ら変えることなく,特定の部分でだけ変化が生じるのだ。