Convergent evolution of animal photosymbiosis through co-option of ancestral endodermal programs

技術的要約：祖先的な内胚葉プログラムの転用による動物の光共生における収斂進化

問題提起
光共生は、刺胞動物、軟体動物、アコアエル類を含む多様な動物門において、独立して進化してきた。これらの共生関係は、宿主が光合成由来の栄養素を獲得することを可能にするが、動物が光合成共生体を収容することを可能にする細胞および進化的メカニズムは依然として不明である。中心的な問いは、これらの独立した起源が、系統特異的なイノベーション（新しい細胞型など）に依存しているのか、それとも既存の、進化的に保存された細胞プログラムの動員に依存しているのかという点である。さらに、共生体が細胞内ではなく細胞間隙に存在する細胞間光共生の細胞学的基盤については、これまでほとんど特徴付けられておらず、異なる共生様式がいかにして進化するかについての理解を制限している。

方法論
本研究では、緑藻類（Tetraselmis sp.）をパラレンキマ組織内に細胞間で宿主する、光共生アコアエルであるPraesagittifera naikaiensisを用いている。研究には、複数の高スループットかつ比較的なアプローチが統合されている：

1. 単一細胞トランスクリプトミクス： 成体P. naikaiensisから16,882個の細胞からなる単一細胞RNAシーケンシング（scRNA-seq）アトラスを構築し、13の異なる細胞型を特定した。
2. 実験的摂動： 共生状態の維持に不可欠な宿主遺伝子を特定するため、光合成への摂動（連続暗期および光化学系II阻害剤であるDCMU処理）をワームに施した。これらの処理サンプルに対してバルクRNA-seqを行い、宿主の転写応答を特定した。
3. 種間比較解析：
   • クサオズムシ類（Xenacoelomorpha）内での比較： P. naikaiensisのアトラスを、非光共生アコアエル（Isodiametra pulchra, Hofstenia miamia）およびクサオムシ類（Xenoturbella bocki）と比較した。これには、オーソログに基づくマッピング（SAMap）およびアライメントフリーの基盤モデル（TranscriptFormer）を用いた。
   • 動物界全体での比較： P. naikaiensisの共生関連細胞の転写プロファイルを、遠縁の光共生刺胞動物（サンゴ、イソギンチャク、ソフトコーラル）および海綿動物（Spongilla lacustris）と比較した。
4. 機能的および進化的特性評価：
   • 遺伝子セット解析： 摂動実験から得られた発現変動遺伝子をscRNA-seqアトラスにマッピングし、「光共生関連遺伝子」を定義した。
   • 胚層解析： 保存された胚層転写プログラム（内胚葉、外胚葉、中胚葉）をマッピングして、進化的な保存性を特定した。
   • 系統特異的なイノベーション： 系統特異的な遺伝子増幅（例：ca, glul, npt, aqp）を系統ゲノム解析を通じて特定し、ドメイン濃縮と発現パターンを特徴付けた。
   • 発生能： CytoTRACE解析を用いて、共生関連細胞の発生能を推定した。
5. 検証： マーカー遺伝子およびタンパク質の空間的な局在を、in situ ハイブリダイゼーション（染色および蛍光）および免疫組織化学法によって検証した。

主な結果

• 特殊な細胞型の不在： P. naikaiensisにおける細胞間光共生の進化は、新規の系統特異的な宿主細胞型の出現を伴わなかった。特定されたすべての細胞型は、非光共生アコアエルに見られる保存された細胞集団に対応していた。
• 内胚葉プログラムの転用： 光共生関連遺伝子は、特定の細胞集団（消化細胞、内胚葉様II&III細胞、および繊毛関連細胞）において有意に濃縮されていた。これらの集団は、保存されたメタゾアの内胚葉プログラムの強い転写シグネチャーを示した。
• 分業： 細胞間光共生の維持は、これら保存された細胞型間の分業に依存している：
  • 消化細胞（特に周辺部のサブポピュレーションであるsp2）は、炭素濃縮機構（CCM）に関連する遺伝子（重炭酸塩トランスポーターやV型ATPaseサブユニットBを含む）を発現しており、炭素濃縮のための局所的な酸性微小環境の生成に役割を果たしていることが示唆される。
  • 内胚葉様II&III細胞は、栄養処理（糖、アミノ酸、脂質代謝）および窒素同化（グルタミン合成酵素）に関与する遺伝子に富んでいる。
  • 繊毛関連細胞はアンモニウムトランスポーターを発現し、窒素供給に寄図している。
• 系統特異的なイノベーション： コアとなる細胞プログラムは保存されている一方で、本研究では、これらの保存された内胚葉細胞型へと優先的に動員された系統特異的な遺伝子重複（ca, glul, npt, aqpなど）を特定した。これらのイノベーションは、しばしば免疫関連ドメインを持つ分泌タンパク質をコードしており、宿主と共生体の界面相互作用を促進している可能性がある。
• 門を越えた収斂進化： 比較解析により、刺胞動物や海綿動物における独立に進化した光共生も、祖先的な内胚葉／消化機能に関連する転写プログラムを動員していることが明らかになった。
  • 刺胞動物の藻類保持細胞および海綿のアルキオサイトは、P. naikaiensisの内胚葉様細胞と転写的特徴を共有している。
  • これらの遠縁の系統における共生関連細胞は、比較的高い推測発生能（CytoTRACEスコア）を示しており、可塑性を保持する細胞が優先的に共生のために動員されることを示唆している。
  • これらの細胞は、進化的に古く、代謝的に多才な遺伝子レパートリー（代謝に関連するCOGカテゴリー）に富んでいる。

意義および主張
本論文は、動物の光共生の収斂進化における一般的な細胞原理を明らかにすると主張している。著者らは、細胞構造（細胞内 vs 細胞間）や共生体の種類が異なっていても、光共生の進化は繰り返し、祖先的な内胚葉プログラムの動員と修正に依存していると論じている。

主要な結論は以下の通りである：

1. イノベーションよりも転用： 複雑な共生関係は、専用の共生保持細胞型のデノボ（新規）の進化ではなく、既存の保存された細胞型の機能的な調整を通じて生じることができる。
2. 機能的制約： 内胚葉プログラムの反復的な使用は、光共生の根本的な要求事項（栄養処理、分子輸送、および代謝交換）が、消化／内胚葉細胞の既存の機能的レパートリーによって最もよく満たされることを示唆している。
3. 発生的アクセシビリティ： 様々な系統における共生関連細胞の高い推測発生能は、共生を確立するために必要な転写的再編成に対して、より高い調節的可塑性を持つ細胞が利用しやすいことを示唆している。
4. 収斂のメカニズム： 本研究は、収斂進化が、保存された細胞機構の転用と系統特異的な分子イノベーションの補完によって起こることを示しており、これにより、共通の機能的制約の中で異なる生物学的結合が進化することを可能にしている。

これらの知見は、新しい生物学的結合が深い進化の歴史からどのように出現するかを理解するための枠組みを提供し、祖先的な細胞プログラムが複雑な共生の進化をどのように形作るかを強調している。