急速な進化は、非常に長い時間を経て初めて見える現象だと考えられがちだ。Fred Hutchinson Cancer CenterのMalik Labの研究者らが注目しているのは、より速く、より競争的な形態である。すなわち、競合する生物学的存在が自らの成功を維持するために争う中で、わずか数世代のうちに生じ得る遺伝的変化だ。
HHMIの研究者Harmit Malikとチームは、こうした遺伝的対立を研究し、それを支配する規則を見つけようとしている。研究対象にはウイルスと宿主の対立など、さまざまな進化上の競争が含まれ、過去の生物学的な軍拡競争の観察を、将来の病気治療戦略の手がかりへと変えることを目指している。
「こうした規則は、進化を振り返って軍拡競争がどのように展開したかを理解する助けになるだけでなく、未来を見据えて新しい戦略を考えることも可能にします」とMalikは語った。
対立の速度で進む進化
急速な進化とは、何千年もかけてではなく、比較的少ない世代の間に起こる遺伝的変化を指す。研究室の捉え方では、この変化は競争によって引き起こされることが多い。ある遺伝的存在は、別の存在が失敗すると利益を得る。
こうした対立は、関与する生物や遺伝要素に強い圧力をかけるため、特に多くを明らかにする可能性がある。ウイルスは宿主の防御を受けながら、増殖して広がらなければならない。一方、宿主は感染を制限する仕組みを進化させることができる。競争相手を克服し続ける圧力は、ゲノムに検出可能な痕跡を残す可能性がある。
研究者にとって、その価値は歴史的なものに限られない。生物システムが対立に対して特定の解決策を繰り返し選ぶなら、その解決策は感染、免疫回避、生存に不可欠な特徴を示している可能性がある。こうした依存関係を理解することは、治療介入の可能性について考える際の手がかりになる。
温度に左右されるウイルスのバランス
研究対象の一つは、蚊が媒介するアルファウイルスであるSindbisウイルスやチクングニアウイルスと、それらが感染する大きく異なる宿主との対立だ。これらのウイルスは、昆虫と人間で体温や免疫システムが異なるにもかかわらず、両方に感染できる。
博士研究員Tamanash Bhattacharyaを含むチームは最近、この宿主間の適応力を可能にしているとみられる仕組みを調べた。焦点は、ウイルスゲノムにあるopalコドンと呼ばれる特殊な終止コドンだ。
終止コドンは通常、タンパク質の生産を止める合図となる。今回のケースでは、opalコドンが重要なウイルスポリプロテインの生産量を慎重に調整できると、情報源は説明している。研究者らはこの効果を「速度論的ゴルディロックス」と表現する。ウイルスは生き残るために十分なポリプロテインを必要とするが、多すぎると他の過程を遅らせ、ウイルスの適応度を低下させる可能性がある。
このバランスは温度と複製速度によって変化する。体温が高く、ウイルス複製が速い人間では、ウイルスは生産バランスを維持するためにopalコドンに依存する。条件がより低温で複製が遅い蚊では、同じバランス機構は同じ形では必要とされない。
宿主の切り替えが厳しい試験となる理由
蚊と人間の宿主を行き来することは、ウイルスにとって単なる温度変化以上の意味を持つ。異なる免疫環境や細胞条件にも直面しなければならないからだ。一つのゲノムが両方の環境で機能し続ける必要がある。
opalコドンに関する発見は、進化的適応が一つの活動を最大化することよりも、それを調整することに関係する場合があることを示している。重要なウイルス成分を多く作ることは有利に思えるかもしれないが、報告された結果は、過剰な生産がコストをもたらし得ることを示唆している。適応度は、複数の過程を適切な速度で協調させることに依存する。
この考えは、研究対象となった特定のウイルスを超えて意味を持つ。生物システムはしばしばトレードオフによって機能し、遺伝的対立はそのトレードオフが最も厳しくなる場所を明らかにする。システムを狭い機能範囲に保つために維持される特徴は、生物が受ける重要な制約を表している可能性がある。
進化の記録から治療のアイデアへ
研究の当面の目標は遺伝的対立の規則を理解することであり、完成した医療応用を主張することではない。それでもMalikのグループは、どの進化戦略が存続し、その理由は何かを知ることに実用的な価値があると考えている。
ウイルスと宿主が軍拡競争に閉じ込められると、適応の一つ一つが対抗適応を引き起こす可能性がある。時間が経つにつれ、その闘争の記録から、どの分子相互作用が最も重要かが明らかになる可能性がある。情報源によると、Malikのチームはこうした洞察を、新たな治療法の改善につながり得るアプローチに役立てている。
基礎研究から治療に至るまでには長い道のりがある。研究者らは、発見した仕組みを安全かつ効果的に標的にできることを示し、その後、適切な実験環境と臨床環境で検証しなければならない。しかしこの研究は、進化生物学が生物医学研究に役立つ理由を示している。理論だけではなく、現実の生物学的競争が課す制約を特定できるからだ。
今回の知見が示すこと、示さないこと
提供された報告は、二つの宿主環境におけるアルファウイルスの適応度に関連する仕組みを説明している。チクングニア、Sindbis、その他の感染症に対する新たな治療法を確立したものではなく、opalコドンを操作することが臨床利用の準備段階にあるという証拠も示していない。
その重要性は、概念的かつ機構的な洞察にある。研究は、珍しい終止コドンが調節因子として働き、蚊や人間の異なる複製条件にウイルスが対応するのを助ける可能性を示している。これは、急速な進化と遺伝的対立が、精密な生物学的結果を伴う解決策を生み出す具体例だ。
Malikの研究室にとって、より大きな使命は、このような事例から利用可能な進化の規則を構築することにある。遺伝的な戦場を調査することで、軍拡競争がどのように展開したかをよりよく説明し、病気に対する次の有用な戦略がどこから生まれるかを見つけたいと研究者らは考えている。
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Originally published on phys.org