Understanding single nucleotide polymorphism (SNP) in pyruvate dehydrogenase E1 and E2 component in different bacterial species

生命とは、生物とその周囲の環境との間で行われる絶え間ない交渉である。生き残るために、細菌は外部の世界が温度や酸性度、利用可能な食物の変化に直面している間も、内部の仕組みを円滑に動かし続けなければならない。この仕組みの重要な一部が、ピルビン酸デヒドロゲナーゼと呼ばれる酵素であり、これは細胞が機能するために必要なエネルギーへと栄養を変換する中心的なハブとして機能する。この酵素は、E1およびE2成分として知られる2つの主要な部分から構成されている。時間の経過とともに、これらの部分を構築する遺伝暗号はわずかに変化することがある。遺伝のアルファベットにおける一文字が別の文字に入れ替わるこのような微細な変化は、一塩基多型と呼ばれる。これらの入れ替わりのうち、いくつかは無害であるが、他のものは酵素の形状や機能を変化させ、細菌が新たな課題に適応するのを助けたり、逆に細菌を苦境に陥れたりする可能性がある。これらの変化がどこで起こり、どの程度の頻度で発生するかを理解することは、変化する世界の要求に応えるために、細菌がいまどのように進化しているかを知るための窓となる。

最近の研究において、シンガポール国立大学のある研究者が、いくつかの種類の細菌にわたるこれらの遺伝的変化をマッピングすることを試みた。その目的は、標準的な参照点として機能する大腸菌（Escherichia coli）と、他の3つの種、すなわち肺炎桿菌（Klebsiella pneumoniae）、サルモネラ菌（Salmonella enterica）、コレラ菌（Vibrio cholerae）の間で、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ酵素のE1およびE2部分の遺伝子がどのように異なっているかを明らかにすることであった。このために、研究者は、これらの細菌の遺伝配列を並べてスキャンできるカスタムコンピュータプログラムを作成した。このソフトウェアは、細心の注意を払う編集者のように機能し、参照細菌の遺伝暗号を読み取り、他の種の暗号と一文字ずつ比較した。不一致が見つかるたびに、その位置と具体的な変化の種類を記録した。このプロセスにより、変異がどこに集積しているか、そして合計でいくつ存在するのかという詳細なプロファイルが可能となった。

結果は、これらの細菌がどのように進化しているかについて、顕著な違いを明らかにした。酵素のE1成分に注目すると、肺炎桿菌とサルモネラ菌は、参照点と比較して変化が比較的少なかった。彼らの遺伝配列は大部分が安定しており、変異は変化のない長い領域によって隔てられた、散在するグループとして現れた。このパターンは、これら2つの種が、この酵素の特定の部位を変化させる強い圧力に直面していないことを示唆している。対照的に、コレラ菌は異なる物語を語っていた。この種は、E1成分において、他の2種よりも約4倍も多い、著しく多くの変化を保持していた。さらに、これらの変化は隙間に散在しているのではなく、遺伝子全体にわたって均等に広がっていた。この均等な分布は、コレラ菌がこの酵素の部分を再形成するという強烈な圧力の下にあり、おそらく現在の環境条件下でより良く機能する新しい構造を模索していることを示唆している。

研究者がE2成分を調べたとき、状況はさらに複雑になった。ここでは、これら3つの非参照種すべてが、膨大な量の遺伝的変化を示した。各々の種は、そのE2遺伝子の中に数百の変異を抱えており、変化は4種類の遺伝文字すべてにおいてほぼ同数で現れた。一部の種では安定していたE1成分とは異なり、E2遺伝子は最初から最後まで変異に満ちていた。データは、これらの細菌がこの特定の領域において急速な進化を遂げていることを示した。変異の膨大な量と均一な広がりは、現在のE2成分の形状が現代の世界には完全には適合していないことを示唆している。細菌は、変化する栄養環境や温度・pHといった環境要因に対処できる構成を探して、タンパク質構造全体にわたって無数のバリエーションを試行錯誤しているのである。

結局のところ、この研究は「流動状態にある細菌」を指し示している。研究結果は、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ酵素のいくつかの部分は特定の種において安定している一方で、他の部分は激しい調整期間にあることを示唆している。この酵素は、今日の環境において効率的に機能するための完璧な形態を見つけるのに苦慮しているようだ。遺伝子、特にE2成分における変異の均一な広がりは、細菌がまだ単一の簡単な解決策を見つけられていないことを意味している。むしろ、彼らは、自らの生物学的プロセスが容易に追いつけないほどの速さで変化する世界に対して、エネルギー生成の仕組みを適応させるという差し迫った要求に突き動かされ、幅広い可能性を模索しているのである。