An AI-assisted genomic census of 193,342 assemblies finds a GFP-barrel family in unreported lineages, carrying pseudogenes in both fungi and cnidarians
AI支援による193,342個のアセンブリのゲノム調査は、未報告の多様な系統（真菌類や刺胞動物を含む）にわたって、保存された埋没電荷ネットワークを持つ広範なGFPバレルファミリーの存在を明らかにしており、そこでは当該遺伝子が頻繁に偽遺伝子化しているものの、生存しているコピーにおいては浄化選択を受けており、細菌における可動性DNAとの関連性も示されている。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
地球上の生命は、あらゆる細胞がいかにして自らを構築するかを伝える、4つの化学文字で書かれたコードである、膨大で目に見えない遺伝情報のライブラリに依存している。何十年もの間、科学者たちは、消化から視覚に至るあらゆる機能を動かす分子機械である、機能的なタンパク質を生み出すコードの部分に焦点を当ててきた。しかし、ゲノムの大部分は、もはや機能しない壊れた、あるいは不完全な指示を含む「ジャンク」として片付けられることが多い。海洋生物学の世界において、最も有名な遺伝学的発見の一つは、暗闇で光る分子であり、ラボで細胞の働きを観察するための標準的なツールとなった緑色蛍光タンパク質である。このタンパク質は、光る化学中心を閉じ込める、頑丈な樽のような形状に折り畳まれる。長年、研究者たちは、もしこの樽型の構造が光る中心を持たずに存在していたとしても、それは進化の過程で残された、おそらくは壊れた無用な残骸であると考えてきた。
しかし、ある新しい研究は、かつてないほど深く遺伝コードを掘り下げることで、この仮説に異を唱えている。研究者たちは、既知の機能するタンパク質のリストに頼るのではなく、約20万種類の異なる生物の生の設計図（生データ）をスキャンした。彼らは、特定の隠されたパターン、すなわち、光るタンパク質の複雑な内部機構は保持しているものの、光る部分自体は失ってしまった樽型のタンパク質を探していた。彼らが見つけたのは、これら非発光の樽型の広範なファミリーであり、それらは内部に特定の電気的な電荷のネットワークを保持しており、それらを持っているとはこれまで疑われていなかった生命の系統に存在していた。この研究は、これらのタンパク質が単なるランダムな遺伝的デブリ（破片）ではなく、多くの場合、進化によって注意深く保存されていることを明らかにしており、それは、暗闇の中で不可欠な、まだ発見されていない役割を果たしていることを示唆している。
研究は、単純かつ大規模な問いから始まった。この特定の樽型タンパク質のファミリーは、生命の樹においてどこまで到達しているのか？ 従来の研究は、細胞がすでに構築しカタログ化したタンパク質のみを見ていたため、壊れた、あるいは不完全な遺伝的指示を見逃していたのである。全容を把握するために、チームはコンピュータによる検索を用い、193,342種類の異なるゲノムアセンブリのDNAをあらゆる方向に読み取った。このアプローチにより、細胞が最終製品を作るのを止めてしまうようなエラーが含まれていても、その樽型タンパク質に似た遺伝配列を特定することが可能となった。検索の結果、パターンに一致するゲノム上の位置が約400箇所見つかった。研究者がこれらの結果をフィルタリングし、樽の内部に完全な隠された電気ネットワークを保持しているものを特定したところ、77種類の異なる生物に属する140の明確な位置が特定された。これにより、このタンパク質ファミリーの既知の範囲が大幅に拡大した。
新たな発見の中には、これまでこのファミリーとの関連性が指摘されていなかった生物も含まれていた。検索により、古代の海綿動物、冠クラゲとして知られる一種のクラゲ、さらには極限環境に生息するアーキア（古細菌）と呼ばれる単細胞生物の中に、これらの樽型タンパク質が発見された。おそらく最も驚くべきことに、チームはキノコやカビを含む生物群である真菌類の中に、これらのタンパク質を発見した。真菌のサンプルにおいて、研究者たちは、これら遺伝的指示の相当数が壊れており、機能することを妨げるエラーを保持していることを見出した。この壊れたコピーのパターンは、クラゲやサンゴの近縁種でも見られ、これは、このタンパク質がある系統では有用であるが、他の系統では崩壊しつつあることを示唆している。研究では、進化再構成法を用いて、特定の黒カビのグループにおいて、この遺伝子が何度も独立して失われていることを示し、それが彼らの生存に必須ではないことを示した。
壊れたコピーがあるにもかかわらず、そのまま残ったゲノム部分は異なる物語を伝えていた。遺伝子が完全な状態を保っている生物において、DNAは構造を一定に保つための厳格な進化的圧力の下にある兆候を示していた。これは、タンパク質の構造に対するランダムな変化が自然選択によって排除されていることを意味しており、そのタンパク質が重要な何かを行っているという強力なシグナルである。ある種のサンゴでは、遺伝子が11回連続でコピーされており、これはその生物がこのタンパク質に大きく依存している兆候である。また、研究者たちは、2つの異なる細菌グループにおいて、これらの樽型遺伝子が、細菌に感染するウイルスやゲノム内を移動するジャンピング遺伝子のような、可動性遺伝因子の中に位置していることを見出した。これは、この遺伝子が異なる種類の細菌間で移動している可能性を示唆しており、そのプロセスが新しい環境への拡散を助ける可能性がある。
研究はまた、これらのタンパク質の具体的な化学組成についても詳しく調査した。有名な発光タンパク質では、光を作り出すためにチロシンと呼ばれる特定のアミノ酸が不可欠である。この新たに発見されたファミリーでは、そのチロシンが異なる非発光のアミノ酸に置き換わっている。真菌や細菌のバージョンでは、その箇所は通常バリンによって占められており、動物のバージョンでは、しばしばフェニルアラニンとなっている。この一貫した置換は、タンパク質が光に関与しない新しい機能を獲得したことを示唆している。研究者たちが内部の電気的電荷間の距離を測定したところ、このファミリーにおける配置は発光タンパク質とは異なっており、これが独自のグループであることをさらに裏付けている。これらのタンパク質の正確な役割は依然として謎であるが、一部の種では保存され、他の種では失われているという証拠は、生命の樹全体にわたって変化する専門化された役割があることを指し示している。
最も興味深い発見の一つは、タンパク質のカタログにこれらを持っていない生物の中に、これらのタンパク質が存在していたことである。検索が直接DNAを調べたため、伝統的な手法では見逃されていた遺伝的指示が見つかったのである。例えば、本研究は、他の海洋動物の内部に生息する微細藻類のグループや、これまでこれらを保持していると報告されていなかった一種の海綿の中に、これらの樽を見出した。研究者たちは、これらが他の生物からの汚染物質である可能性を排除するために、遺伝子が本当にホストに属していることを確認する複数のチェックを行い、慎重に検証した。また、いくつかのケースでは、完全なタンパク質を作ることはできないものの、壊れたバージョンの遺伝子が依然として細胞によって読み取られていることも判明しており、これは、これらの遺伝的指示がいかに複雑に使用されているかという点に、さらなる層を加えている。
この研究は、これらのタンパク質が何をしているのかという謎を解明したと主張するものではない。むしろ、それらがどこで見つかり、時間の経過とともにどのように変化しているかを示す明確な地図を提供している。研究者たちは、次のステップは、実際にこれらのタンパク質をラボで構築し、それらがどのような化学反応を行うことができるかをテストすることであると示唆している。それまでは、この研究は、完成した産物だけでなく、生の遺伝コードを直接見ることが、いかに進化の歴史の隠された章を明らかにできるかを示す強力な実証として立っている。自然界は、元の機能を失った後でも、複雑な分子機械を保持し、暗い世界の未知の役割のためにそれらを再利用することがよくあるということを、この研究は示している。
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