Chromatin is dispensable for bacterial life

あらゆる生命細胞の内部において、生命の設計図となる遺伝情報は、ただらけに浮遊しているわけではありません。その代わりに、長いDNA鎖は特殊なタンパク質にきつく巻き付けられ、整理されており、科学者が「クロマチン」と呼ぶ構造を形成しています。この配置を、本がただ床に積み上げられているのではなく、適切に棚に並べられ、索引が付されている図書館に例えて考えてみてください。これにより、細胞は適切な時に適切な情報を見つけ出し、読み取ることができるのです。ヒトのような複雑な生命体では、これらのタンパク質の棚は「ヒストン」と呼ばれる特定のタイプで構成されています。数十億年にわたり地球に生息してきた単細胞生物である細菌においては、この役割は「ヌクレオイド関連タンパク質」として知られる異なる一連のタンパク質によって担われています。これらの細菌タンパク質は、細胞内の極めて狭い空間の中にDNAをコンパクトかつ組織的に収めるために、DNAを曲げ、巻き付け、橋渡しをします。長い間、科学者たちは、このタンパク質とDNAのパートナーシップは生命にとって非常に根本的なものであり、図書館からすべての棚を取り除いたら機能しなくなるのと同様に、細胞がこれなしでは生存することはあり得ないと想定してきました。

ある研究チームは、この仮定を検証するために、「もし細菌がクロマチンタンパク質を全く持たなかったら、生存できるのだろうか？」という大胆な問いを立てました。その答えを見出すために、彼らは細胞の生命を理解するための標準的なモデルとして用いられる一般的な細菌、大腸菌（E. coli）を用いて研究を行いました。彼らは、通常、細菌のDNAを覆い、整理している最も豊富な9種類のタンパク質を特定しました。そして、これらタンパク質の遺伝情報を、細菌自身のゲノムから一つずつ、あるいは組み合わせて取り除いていきました。その結果、本来持っていたクロマチンを完全に欠いた、ユニークな大腸菌の株が誕生しました。これは、通常の構造的サポートなしで遺伝物質を管理しなければならない、生きている細胞を作り出し、研究者たちがこの劇的な変化に対して生物がいかに適応するかを観察することを可能にしました。

科学者たちは、細胞の内部構造と成長能力に何が起こるのかを注意深く観察しました。彼らはDNAがどのようにパッキングされ、どのようにねじれ、どのように遺伝子が読み取られているかを調べました。驚くべきことに、その細菌は死にませんでした。細胞は生存し続け、分裂し、生命に不可沢な基本機能を遂行し続け、クロマチンタンパク質が細菌の生存に厳密に不可欠ではないことを証明しました。しかし、この生存の代償は大きなものでした。整理用タンパク質がないことで、細胞の内部構造は予期せぬ形で変化しました。DNAはその特有の組織性を一部失い、細胞が遺伝子を制御する方法は混沌としたものとなりました。特定の遺伝子を精密なパターンでオンまたはオフにする代わりに、細胞は全ゲノムにわたって、より均一で平坦な活動レベルを生み出し始めました。このグローバルな混乱により、細胞は環境への反応を微調整したり、休眠状態のウイルスのような特定の有害な遺伝要素を抑制したりする能力を失ったのです。

この研究は、細菌はクロマチンタンパク質なしでも物理的に存在することはできるものの、通常の細胞と同じような精密さと柔軟性を持って機能することには苦慮するということを明らかにしています。タンパク質は単にDNAを結合させているだけではありません。それらは、遺伝情報を区画化し、細胞が利己的な要素を抑制し、状況が変わった際に活動を迅速に再プログラミングすることを可能にする、洗練された管理システムとして機能しているのです。このタンパク質フリーの株の作成成功は、生命の仕組みが予想以上に強固であり、共進化してきた組織化ツールを剥ぎ取られた状態でも動作可能であることを示しています。同時に、これらの結果は、これらのタンパク質がいかに生命の複雑でダイナミックな制御に不可欠であるかを浮き彫りにしており、細菌が遺伝子を管理する方法を根本的に再設計することは可能かもしれないが、これらの自然な調節因子なしで行えば、生物は変化する世界を航海する中で苦戦することになるだろうということを示唆しています。