Comparative single-cell transcriptomics links gene expression divergence to Drosophila genital morphogenesis

進化は、数百万年にわたる生命の緩やかで壮大な再形成として想像されがちだが、最も劇的な変化は進化の時計の上では瞬きをする間に起こりうる。動物の体のなかで最も動きが速い部分の一つは、生殖器である。ショウジョウバエの世界では、雄の生殖器の形状が非常に急速に変化するため、近縁の種同士は、他のあらゆる点でほぼ同一であるにもかかわらず、見た目が全く似ていないことがよくある。科学者たちは、これらの違いが発達過程における遺伝子のオン・オフの切り替えによって引き起こされることを古くから知っていたが、特定の細胞の集まりに対して、どのようにしてフック、シェル、あるいはスパイクへと成長させるかを指示する具体的な命令の内容は、長年の謎であった。課題は、これらの構造が極めて小さく、多くの異なる細胞タイプが共同で機能しているため、どの遺伝子がどの特定の細胞で何を行っているのかを正確に把握することが困難であったことにある。

研究チームは、新たなレベルの詳細さをもってこれらの器官の発達を観察することで、このパズルを解明した。彼らは、小さなフック状の構造を持つ種と、大きく精巧な二枚貝のような形状を持つ種という、非常によく似た2種のショウジョウバエを研究した。器官全体を一度に研究するのではなく、彼らはそれを細胞ごとに分解した。個々の細胞の遺伝活動を読み取る技術を用いることで、器官がどのように形成されるかについての詳細なマップを作成した。このマップにより、両種とも基本的な設計図は同じであるが、異なる遺伝子のセットが異なる量かつ異なるタイミングで活性化することによって、両者が分岐していくことが明らかになった。これらの遺伝的な違いをテストすることで、研究者たちは器官の形状を決定づける2つの主要なメカニズムを発見した。それは、どれだけの細胞が構造の一部となるかを決定するシグナル伝達システムと、それらの細胞を最終的な伸長した形へと引き伸ばすための足場として機能するタンパク質群である。

物語は、ショウジョウバエの一種であるDrosophila melanogaster（キイロショウジョウバエ）とその近縁種であるDrosophila simulans（シンウジュウバエ）から始まる。肉眼では、これらのハエはほとんど区別がつかないが、その雄の生殖器は異なる物語を語っている。D. melanogasterの生殖器には小さなフック状の突起があるのに対し、D. simulansは二枚貝に似た、より大きく幅広な構造を誇っている。これらの違いは単なる外見上のものではなく、繁殖において極めて重要である。研究者たちは、これほど明確に異なる形状がいかにしてほぼ同一の遺伝コードから生じるのかを理解したいと考えた。彼らは、成体の器官が蛹の中でゼロから構築される時期である、蛹化の段階に焦点を当てた。彼らは、蛹が形成されてから28、36、48時間後の3つの特定の時点において、発達中の器官を採取した。

内部で何が起きているのかを見るために、科学者たちはシングルセルRNAシーケンシングと呼ばれる強力な手法を用いた。複雑な機械を取り出し、その部品を一つずつバラバラにして、それぞれの歯車やバネが何をすべきかを説明する取扱説明書を読み解く様子を想像してほしい。この場合、「機械」は発達中の生殖器であり、「取扱説明書」は各細胞内の活性化している遺伝子であった。彼らは両種の数千もの細胞を処理し、ノイズを除去して、器官の表面層を構築している細胞のみに焦りを入れた。これにより、把握器（クラスパー）、側板、あるいは後葉（ポステリア・ローブ）といった、器官のどの部分を構築している細胞であるかに基づいて、細胞をグループ化することができた。特に後葉は、両種間で劇的に異なる構造である。

得られたマップは、両種の細胞が全体的なアイデンティティにおいて驚くほど類似していることを示した。一方の種の把握器を構築する細胞は、もう一方の種の把握器を構築する細胞と非常によく似ていた。しかし、研究者が後葉において活性化している特定の遺伝子を比較したところ、数百の違いが見つかった。ある遺伝子は一方の種で非常に強くオンになっており、また別の遺伝子は異なるパターンで活性化していた。このことは、形状の違いが単一の「マスター・スイッチ」となる遺伝子によって引き起こされるのではなく、多くの遺伝子が共同で働く複雑な活動の変化によって引き起こされることを示唆していた。どの遺伝子が実際に重要であるかを突き止めるため、研究者たちは系統的なテストを行った。彼らは、発達中のハエにおいて54種類の異なる候補遺伝子を一つずつオフにする（あるいはサイレンシングする）実験を行い、最終的な器官の形状にどのような影響が出るかを観察した。

結果は示唆に富むものであった。特定の遺伝子をサイレンシングすると後葉が縮小したものもあれば、逆に大きくなりすぎたり、形状が完全に変わってしまったりするものもあった。2つの特定の経路が極めて重要であることが浮き彫りになった。第一に、BMPとして知られるシグナル伝達システムであり、これは細胞に対して何になるべきかを伝える通信ネットワークのように機能する。研究者たちは、このシグナルが、より大きな器官を持つ種において、より広い範囲で、より高いレベルで活性化していることを発見した。このシグナルを減少させると、器官が適切に形成されなかったことから、このシグナルの強さと到達範囲が、構造を構築するためにどれだけの細胞を動員するかを決定するのに役立っていることが示唆された。第二の重要な発見は、ZPドメインタンパク質と呼ばれるタンパク質群に関するものであった。これらのタンパク質は、細胞を取り囲み組織の形状を与えるメッシュ状の物質である細胞外マトリックスの中に存在する。研究者たちは、MeyおよびNyoと名付けられたこのグループの2つの特定のタンパク質が、細胞が伸び、伸長するために不可欠であることを発見した。これらのタンパク質を取り除くと、細胞は周囲のメッシュとの接続を維持できなくなり、器官は長く優雅に成長する代わりに、短くずんぐりとした状態にとどまった。

この研究は、これらの複雑な形状の進化が、2つの単純な変化の組み合わせを通じて起こることを示唆している。第一に、より大きな器官を持つ種は、成長シグナルをより広い範囲で活性化させ、プロジェクトに動員する。第二に、それらの細胞が伸び、伸長することを可能にする構造タンパク質をより多く生成する。これは、再発明ではなく、微調整のプロセスである。研究者たちは、全体の差異に責任を持つ単一の遺伝子は見つけられなかった。代わりに、細胞がどのようにコミュニケーションを取り、どのように環境に付着するかという点における、多くの小さな調整の結果として形状が決まることを発見したのである。組織全体ではなく個々の細胞を見るというこのアプローチは、以前は不可能であった明晰さを提供し、両種の発展の道筋がいつ、どこで分かれるのかを正確に示した。

これらの遺伝的な違いを細胞の物理的な挙動に結びつけることで、研究者たちは、進化がいかにして身体の一部を再形成できるかという明確な例を提示した。彼らは、小さなフックと大きな二枚貝のような形状の劇的な違いが、特定のやり方で微調整された保存された発生プログラムの基礎の上に築かれていることを示した。この研究は、単なる遺伝子のリストを超えて、細胞のダイナミックな挙動を描き出すことで、複雑な形状がいかに進化するかを理解するための新しい枠組みを確立した。高解像度の遺伝子マップと直接的な遺伝子機能テストを組み合わせることで、科学者は今や、遺伝子の変化から動物の形状の変化への経路を辿ることができるようになった。この手法は、高解像度の遺伝子マップと直接的な遺伝子機能テストを組み合わせることで、科学者は今や、遺伝子の変化から動物の形状の変化への経路を辿ることができるようになった。この手法は、一細胞ずつ、遺伝の指示書を解読し、生命の驚異的な多様性を解明するための強力な方法を提供するものである。