研究者は、細胞小器官の遺伝子保持を形成する普遍的な特徴を特定説(推定)します



ミトコンドリアは細胞内のコンパートメント、いわゆる「オルガネラ」であり、私たちが動き、考え、生きるために必要な化学エネルギーの供給を提供します。 葉緑体は、太陽光を捉えて光合成を行う植物や藻類のオルガネラです。 一見すると、それらは世界が離れているように見えるかもしれません。 しかし、ベルゲン大学が率いる国際的な研究者チームは、データ科学と計算生物学を使用して、同じ「ルール」が両方のオルガネラ、さらにはそれ以上のオルガネラが生命の歴史を通じてどのように進化してきたかを形作ってきたことを示しました.

どちらのタイプのオルガネラも、かつては独自の完全なゲノムを持つ独立した生物でした。 何十億年も前に、これらの生物は他の細胞、つまり現代の種の祖先に捕らえられ、閉じ込められていました。 それ以来、オルガネラはほとんどのゲノムを失っており、現代のミトコンドリアと葉緑体 DNA にはほんの一握りの遺伝子しか残っていません。 これらの残りの遺伝子は生命に不可欠であり、多くの壊滅的な病気で重要ですが、他の多くの遺伝子が失われているのに、なぜオルガネラ DNA にとどまるのかについては、何十年もの間議論されてきました.

この疑問に対する新たな視点を得るために、科学者たちはデータ駆動型のアプローチを採用しました。 彼らは、生涯にわたって配列決定されたすべてのオルガネラ DNA に関するデータを収集しました。 次に、モデリング、生化学、および構造生物学を使用して、遺伝子保持に関するさまざまな仮説を、各遺伝子に関連付けられた一連の数値として表しました。 彼らは、データ サイエンスと統計学のツールを使用して、収集したデータに保持されている遺伝子のパターンを最もよく説明できるアイデアはどれかを尋ね、その結果を目に見えないデータでテストして、その力を確認しました。

モデリングからいくつかの明確なパターンが浮かび上がりました。 これらの遺伝子の多くは、ジグソーのように組み立てられた、より大きな細胞機械のサブユニットをコードしています。 ジグソーパズルの真ん中にあるピースの遺伝子は、オルガネラ DNA にとどまる可能性が最も高いです。」


Kostas Giannakis、ベルゲンのポスドク研究員、論文の共同筆頭著者

チームは、これは、そのような中央サブユニットの生産を局所的に制御し続けることが、オルガネラが変化に迅速に対応するのに役立つためであると考えています。これは、いわゆる「CoRR」モデルのバージョンです。 彼らはまた、他の既存の、議論された、そして新しいアイデアへの支持を見出しました。 たとえば、遺伝子産物が疎水性であり、外部からオルガネラにインポートするのが難しい場合、データはそれがそこに保持されることが多いことを示しています. より強力な結合化学基を使用してコード化されている遺伝子も、より頻繁に保持されます。これはおそらく、オルガネラの過酷な環境でより堅牢であるためです。

「これらの異なる仮説は、通常、過去には競合していると考えられてきました」と、ベルゲン大学の教授でチームのリーダーであるイイン・ジョンストンは言います。 「しかし実際には、単一のメカニズムですべての観察結果を説明することはできません。組み合わせが必要です。この偏りのないデータ駆動型のアプローチの強みは、多くのアイデアが部分的に正しいことを示すことができることですが、完全にそうであるということはありません。おそらく長い議論を説明しています。これらのトピックについて。」

驚いたことに、チームは、ミトコンドリア遺伝子を記述するように訓練されたモデルが、葉緑体遺伝子の保持も予測し、その逆も成り立つことも発見しました。 彼らはまた、ミトコンドリアと葉緑体の DNA を形成するのと同じ遺伝的特徴が、他の内部共生生物 (藻類から昆虫まで、他の宿主によって最近捕獲された生物) の進化にも役割を果たしているように見えることを発見しました。

「それはすごい瞬間でした」とジョンストンは言います。 「私たちと他の人々は、同様の圧力がさまざまなオルガネラの進化に適用される可能性があるという考えを持っていました。しかし、この普遍的で定量的なリンク、つまりあるオルガネラのデータが別のオルガネラのパターンを正確に予測し、さらに最近の内部共生生物のパターンを正確に予測することは、本当に印象的でした。 .”

この研究は、欧州研究評議会によって資金提供されたより広範なプロジェクトの一部であり、チームは現在、さまざまな生物が保持しているオルガネラ遺伝子をどのように維持するかという並行した問題に取り組んでいます. ミトコンドリア DNA の変異は、壊滅的な遺伝性疾患を引き起こす可能性があります。 チームは、モデリング、統計、および実験を使用して、これらの突然変異が人間、植物などでどのように処理されるかを調査しています。

ソース:

ジャーナルの参照:

Giannakis、K.、他。 (2022) 真核生物全体の進化的推論により、細胞小器官の遺伝子保持を形成する普遍的な特徴が特定説(推定)されます。 セルシステム。 doi.org/10.1016/j.cels.2022.08.007.



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