Metazoan-wide phylogenomics supports the emergence of recognisable canonical prostanoid-receptor family structure across the vertebrate transition
この後生動物全域にわたる系統ゲノム学的研究は、プロスタノイド受容体の標準的な8家族構造が脊椎動物に特有の革新であることを実証しており、以前に提案されていた非脊椎動物のホモログは、実際には異なる受容体系統であり、その脊椎動物のEP4受容体への外見上の類似性は、真のオーソログではなく系統的な近接性に由来するものであることを明らかにしている。
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海綿動物のような最も単純なものから複雑なヒトに至るまで、動物の体内では、炎症、血流、生殖といった重要なプロセスを調整するために、洗練された化学的言語が機能している。この言語は、プロスタノイドと呼ばれる脂質分子のグループに依存しており、これらは局所的なメッセンジャーとして機能する。これらのメッセージを受け取るために、細胞は細胞外壁に埋め込まれた、受容体として知られる特殊なタンパク質を使用する。魚類、鳥類、哺乳類などの脊椎動物において、これらの受容体は8つの明確なファミリーに分類されており、それぞれが特定の種類のプロスタノイド信号に合わせて調整されている。科学者たちは、この複雑な8ファミリーのシステムは古代の祖先から受け継がれたもの、つまり、クラゲや昆虫のような脊椎のない生物であっても、これら8つの特定のファミリーの直接的な進化上の前身を持っているはずだと、長らく想定してきた。
新しい研究は、動物界全体におけるこれらの受容体の遺伝的履歴を調査することで、この長年の仮説に異を唱えている。独立した研究者であるセバスティアーノ・スチェベリーリ（Sebastiano Scibelli）率いる研究チームは、これら8つの受容体ファミリーの認識可能な構造が、いつ、どのように出現したのかを明らかにすることを目指した。数千の遺伝データセットと数百の動物種を分析した結果、この研究は、脊椎動物に見られる特定の8ファミリーの構成は、すべての動物に共通する特徴ではなく、脊椎動物への移行期に特異的に現れた発展であることを明らかにしている。
研究者はまず、膨大な量の遺伝データを収集することから始めた。30の異なる動物グループを代表する3,000種以上のタンパク質配列を調査したのである。彼らは、これら8つのファミリーの基準となる、厳選された78の既知の脊椎動物受容体のセットに対して、これらの配列を比較した。その目的は、非脊椎動物の中に、これら8つの確立されたカテゴリーに綺麗に当てはまる受容体が存在するかどうかを確認することであった。研究者は、正確性を確保するために、厳格な多段階のプロセスを用いた。まず、潜在的な一致物を探すために広い網を投げ、次に、それらのタンパク質が正しい構造を持っていることを確認するために厳格なフィルターを適用し、最後に、それらがどこに属するかを見るために進化樹上に配置した。この手法により、単に脊椎動物のものと類似している受容体と、真の進化的な親戚である受能体を区別することが可能となった。
結果は驚くべきものだった。非脊椎動物から分析された数千の配列の中で、これら8つの正典的なファミリーのいずれかに明確に配置できるものは一つも存在しなかった。これらの古代の受容体の多くは、広義の意味ではプロスタノイド・システムに関連していたが、特定のDP1、EP1からEP4、FP、IP、またはTPといったグループには属していなかった。代わりに、非脊椎動物の受容体は、脊椎動物のファミリーが完全に形成される前に分岐した、独自の系統を形成していた。研究者は、これらの古代の受容体がしばしば特定の脊椎動物ファミリーであるEP4に最も近い形で現れることを見出したが、これは進化樹の形状によるものであり、EP4ファミリーの真の祖先であるという証拠ではないことを示した。研究者は、この近接性が直接的な系統を示すものではなく、データの幾何学的なアーティファクト（偽像）であることを実証した。
本研究は、サンゴイソギンチャクにおける特定の受容体を、脊椎動物のEP2およびEP4の直接的な同等物として特定した以前の研究についても言及している。より包括的で厳格な手法を用いて遺伝子配列を再検証した結果、著者はこれらの割り当てが誤りであったことを見出した。イソギンチャクの配列は確かにプロスタノイド・システムに関連していたが、特定のEP2またはEP4のカテゴリーには適合しなかった。さらに重要なことに、EP2およびEP4としてラベル付けされていたサンゴの配列は、実際にはプロスタノイド受容体ファミリーとは無関係であり、異なる細胞表面タンパク質のグループに属していた。このことは、単純な類似性検索に大きく依存していた初期の研究が、これらの古代のタンパク質を誤認していた可能性を示唆している。
認識可能な8ファミリーの構造の出現は、脊椎動物が進化するにつれて段階的に起こったと考えられる。本研究は、8つの明確なファミリーへの明確な分離が、初期の脊索動物から顎を持つ脊椎動物への移行期に確立されたことを示している。ヤツメウナギやハイミズアモノのような初期の脊椎動物グループの中には、この出現しつつある構造の兆候を示すものもあったが、完全で安定した配置はまだ完成していなかった。現代の顎を持つ脊椎動物の祖先において初めて、システムは今日見られる8つのファミリーへと固まったのである。研究者はまた、遺伝子がどのように増殖したかを理解するために、染色体上の物理的な位置についても調査した。一部の受容体のペアは同じ染色体上に近く留まっており、これらが局所的な重複によって作成されたことを示唆している一方で、他のペアは分散しており、大規模なゲノム重複を含むより複雑な歴史を暗示していた。しかし、データは、8つのファミリーすべてが単一の古代のイベントによって同時に作成されたという単純なモデルを支持していなかった。
この研究は、動物のシグナル伝達システムがどのように進化したかという私たちの理解を根本的に変えるものである。プロスタノイド信号に応答する能力は古くから広く存在しており、動物界の多くの形態において存在している。しかし、脊椎動物の生物学を定義する、あの高度に組織化された8ファミリーのシステムは、後発の革新である。無脊椎動物に見られる受容体は、脊椎動物のシステムの壊れた、あるいは不完全なバージョンではなく、同様の機能を果たしながらも異なる進化の道を辿った、多様で独立して進化したタンパク質のプールなのである。本研究は、脊椎動物のプロスタノイド・システムの複雑さは、その系統に固有の特徴であり、既存の、完全に形成された無脊椎動物の祖先からの直接的な継承ではなく、局所的な遺伝子重複と大規模なゲノムイベントの混合から生じたものであると結論づけている。
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