1800 年代半ば、自宅から何千マイルも離れた蒸し暑いアマゾンの熱帯雨林で、英国の博物学者ヘンリー ウォルター ベイツは問題を抱えていました。 複数です。 親指サイズの咬傷性昆虫、常に存在するマラリアの脅威、有毒なヘビ、カビがあり、貴重な標本がイギリスに返送される前に追いつく恐れがありました。 しかし、彼を悩ませていたしつこい科学的問題は蝶に関するものでした。

ベイツは、いくつかの鮮やかな色の ヘリコニウス 森の蝶は他の蝶のようにはばたきませんでした。 彼らはよりゆっくりと動きました。 彼がそれらを捕獲し、その場しのぎの顕微鏡で調べたとき、彼はそれらが実際にはそうではないことを発見しました. ヘリコニウス まったく、しかし、無関係の蝶の家族からの驚くべきそっくりさん。

ベイツの発見が英国の科学的知識に到達するまでに、チャールズ・ダーウィンの当時の新しい自然淘汰の提案は、なぜこの素晴らしい模倣が起こったのかを説明することができた. 鳥や他の捕食者は避ける ヘリコニウス 蝶は食べると有毒で、苦い味がするからです。 ミミックは有毒ではありませんでしたが、悪臭を放つものに非常に似ていたためです。 ヘリコニウス、食べられる可能性が低くなりました。 類似性が高いほど、保護はより強力になります。

ベイツとその後の多くの進化生物学者が説明できなかったのは、この模倣がどのように可能であったかということでした。 翼の適切な場所にアクアマリンと燃えるようなオレンジの適切な色合いを得るには、正確に調整された遺伝子の星座が必要でした. これらの特性は、世代を超えて完全に忠実に継承されなければなりません。 ヘリコニウス 変装。 たぶん本物 ヘリコニウス 蝶の毒素は捕食者に近づかないように教えることができるため、蝶は色が少しずれても余裕がありますが、模倣者は一貫して完璧なレプリカである必要がありました. しかし、有性生殖における形質のランダムな再編成と再混合は、本質的な着色パターンをすぐに混乱させたはずです.

今日、私たちは多くの種でその答えがスーパージーンであることを知っています。これは、複数の遺伝子を単一の遺伝単位にロックする DNA のストレッチです。 「彼らは一種のワイルドカードです」と彼は言いました マルテ・ソードランド、ノルウェーのアグデル大学の分子生態学者。 この集約された形式の継承には、「迅速な適応が可能になるため、明らかな利点がありますが、まだわかっていないことがたくさんあります。」

超遺伝子は、かつては進化論的に奇妙に思われていましたが、遺伝子配列決定の台頭により、研究者が信じていたよりもはるかに一般的であることが示されました。 すべての超遺伝子が機能を果たしているわけではありませんが、過去数年間の研究で、さまざまな動植物種の形質が、単一の遺伝子のように機能するこれらの遺伝子群によって駆動されている可能性があることが明らかになりました。 超遺伝子 野生のひまわりを助ける 砂丘、海岸平野、防波島など、さまざまな環境に適応します。 他の科の植物では、それらは微妙だが重要な生産物を生み出す 性器のバリエーション 近親交配を防ぐのに役立つ繁殖力。 昨年春に発表された研究によると、いくつかのヒアリ種では、スーパージーンがどのタイプの 社会組織が優勢 — コロニーが単一の繁殖女王を持っているか、複数の女王を持っているか、またはより多くのオスまたはメスを生産しているかどうか。 (ヒトの特定のスーパージーンは確認されていませんが、 有力候補 発見されています。）

超遺伝子はまた、種が新しい環境に急速に適応することができる方法、個体群が近くに住んでいても異なる方向に進化する方法、一部の種が「バランスの取れた致死システムを持っている理由」など、多くの長年にわたる進化の謎の説明を保持しているようです。生き残るためには、XNUMX つの異なるバージョンの染色体を持っている必要があります。

しかし、超遺伝子は万能ではありません。 超遺伝子の進化に関する最近の研究は、その影響のニュアンスのある絵を描いています。 これらの理論モデルと実際の個体群の研究は、超遺伝子がしばしば 有害な突然変異を蓄積する 他の DNA 断片よりもはるかに速く、これが元の利点を弱体化させる変性効果に徐々につながる可能性があります。

遺伝子ランドリーの分離

超遺伝子の定義はかなり専門的であり、その概念は 1930 年代から存在していましたが、科学者は依然としてその細かい点について議論しています。 しかし、最も単純なレベルでは、 サイモンマーティンエディンバラ大学の進化生物学者によると、超遺伝子は、多くの場合、他の多くの非コード DNA とともに、XNUMX つの単位として一緒に継承される遺伝子のグループです。

「複数の遺伝子を持つ XNUMX つの異なる形質を作り続けることができ、それらがごちゃごちゃになることを心配する必要はありません」と Martin 氏は述べています。

そのごちゃまぜは、卵細胞と精子の生産中によく発生します。 その過程で、染色体の母方と父方のコピーが整列し、組換えと呼ばれるバレーで DNA のセグメントをランダムに交換します。 組換えは、遺伝子のさまざまな順列の価値に関する自然の賭けをヘッジします。 遺伝的多様性を高め、有害な突然変異を取り除くのに役立ちます。

超遺伝子の超大国は、これをブロックすることです。 通常、スーパージーンには、DNA の欠失、挿入、または反転 (切り出されて後方にスプライスされた配列) が含まれます。 その結果、染色体DNAのこれらの部分はパートナーと整列せず、再結合する可能性がはるかに低くなります.

1970 年代に研究者は、染色体のミスアラインメントが染色体のセグメントの組換えをブロックし、その後遺伝子を失い続けるという同じメカニズムが、哺乳類の X 染色体から Y 性染色体への進化につながることを示しました。 性染色体は、本質的に暴走する超遺伝子です。 超遺伝子と性染色体の両方が存在するのは、いくつかの遺伝子セットを一緒に継承することで利益が得られる場合があるからです、と彼は言います。 デボラ・チャールズワース性染色体研究の先駆者であり、最近エジンバラ大学を退職した進化遺伝学者の XNUMX 人です。 そのような場合、「組み換えを行わずに、相性の良いもの同士をくっつけておくのが理想的です」と彼女は言いました.

なぜそれが有利なのかを理解するには、洗濯をすることを考えてみてください。 エマ・ベルダン、スウェーデンのヨーテボリ大学の進化生物学者。 白いタオルのバスケットと赤いタオルのバスケットがあるとします。 再結合は、両方の荷物を同じドラム缶に投げ込み、お湯をひっくり返してスタートを押すのと同じことです。 結果はピンクのタオルの束です。 しかし、進化的にピンク色のタオルに相当するものは問題にならないことが多い、とベルダンは言う。

とはいえ、遺伝子を分離しておくことで生命が恩恵を受けることもあります。 ベイツのために ヘリコニウス 異なる遺伝子からの色のしぶきが混ざり合っている蝶の模倣は、悲惨なことになる可能性があります. 蝶は、見た目が十分に似ている場合にのみ、模倣の報酬を獲得します ヘリコニウス 捕食者をだます。

そのため、多くの研究者が超遺伝子がどのように発生し、超遺伝子が進化し続けるにつれて種にどのような影響を与える可能性があるかを調査してきました. 超遺伝子の起源を理解することは、「最も困難な問題の XNUMX つです」と彼は述べています。 ターニャ・スロッテ 植物の超遺伝子を研究しているストックホルム大学の進化遺伝学者。 「そして、それが常に可能であるとは限りません。」

最近の取り組みでは、 ケイティ・ロッテルホスノースイースタン大学の進化海洋生物学者である博士は、逆位遺伝子から超遺伝子への経路上でとられる最初の暫定的なステップを研究するためのコンピューター モデルを構築しました。 彼女のモデル、 王立協会Bの哲学取引 超遺伝子に関する特別号の一部として XNUMX 月に、最初の DNA フリップフロップが大きいほど、超遺伝子が進化する可能性が高くなることを示しました。 その理由は単純で、DNA の反転断片が大きいほど、複数の遺伝子を捕捉し、それらを XNUMX つの実体として結び付ける可能性が高くなったからです。 反転内で発生する有益な突然変異は、スーパージーンとしての拡散を促進する可能性があります。

しかし、Lotterhos のモデルからのより重要な洞察は、反転自体が必ずしも進化上の利点を提供しないということでした。 一連の遺伝子がすでにその環境にうまく適応している場合、それを反転に固定しても、突然スーパー遺伝子として離陸することはできません. この事実は、複雑な重要な形質がスーパージーンとして定期的に確保されない理由を説明するのに役立つかもしれません:通常の選択圧力は、多くの場合、形質を維持するのに十分です.

順応が逆転に先行するのか、それとも逆なのかという問題は、決して答えられないかもしれないと Lotterhos は認識していました。 「反転と適応、どちらが先か？」 彼女は言いました。 「それはおそらく両方の少しです。」

超遺伝子のコスト

超遺伝子は、適応形質の継承において強力な利点を提供しますが、コストがかかります.

ベルダンの洗濯の例えを思い出してください。赤と白のタオルを XNUMX 回の洗濯で洗うと、XNUMX 組のリネンの色の違いがなくなります。 ただし、ピンクのタオルを裂いたり汚したりした場合は、同じピンクのタオルをバックアップとして使用できます. 染色体の XNUMX つのコピーが遺伝子を破壊する有害な突然変異を拾うと、機能するバックアップ コピーが一致する染色体上に存在し、生物の生存を助ける可能性があります。 また、組み換えにより、突然変異が他の遺伝子とは独立して受け継がれることが保証されるため、自然淘汰により、時間の経過とともに突然変異を取り除くことができます。

ただし、スーパージーンの場合はそうではありません。 彼らはめったに再結合しないので、彼らが獲得した有害な変異はそのまま残る傾向があります. したがって、超遺伝子の利点は重大な欠点を伴う可能性があります。 たとえば、ベルダンと ベンジャミン・ウィエルストラ ライデン生物学研究所の研究チームは、クレステッドイモリと呼ばれるサンショウウオが産む卵の半分が生存できないことを発見しました。 すべての突然変異 XNUMXつの超遺伝子に組み込まれています。 彼らの超遺伝子は、繁殖の成功を妨げているようです。

スーパージーンはまた、交配のプロセスを複雑にする可能性があります。 一部の種では、超遺伝子が繁殖システムを作り出し、事実上 XNUMX つの性別があります。 たとえば、ノドジロスズメと呼ばれる北米の鳥類には超遺伝子があるため、色や行動が異なる XNUMX つの「モーフ」が存在します。 男性は女性を見つけるだけでなく、反対のモーフからパートナーを見つけなければなりません。 そうしないと、子孫は両方の親からスーパー遺伝子を継承するか、スーパー遺伝子を継承しないことで死亡します。 XNUMXつの超遺伝子と染色体のXNUMXつの通常のセグメントの「バランスの取れた致死」遺伝を受けたヒナだけが生き残ります。

これほど高額な価格を考えると、超遺伝子がまったく進化したのは不思議だ、とバーダンは言う。 「亜種のセットは、特に何百万世代にもわたって維持するのが非常に困難になるでしょう」と彼女は言いました。 「それは超遺伝子の大きな謎の XNUMX つです。」 彼女は、超遺伝子を保存するために複数のタイプの選択が連携して機能している可能性があり、特定の環境が集団内でのそれらの持続を最も助長している可能性があることを示唆しました.

皮肉なことに、超遺伝子を保存できるメカニズムの XNUMX つは、通常は抵抗する現象である組換えであるように思われます。 アマンダ・ララクエンテ、ロチェスター大学の進化遺伝学者、および彼女の共著者はそのようなケースを説明しました 昨年XNUMX月 in eLife.

Larracuente は当初、超遺伝子やその進化コストには関心がありませんでした。 彼女が焦点を当てたのは、宿主に利益をもたらさずに個体群内で増殖する DNA の断片である利己的な遺伝子です。 彼女は利己的な遺伝子に魅了された 分離歪曲 (SD）は、ザンビアの特定のショウジョウバエで発生し、子孫の性比をゆがめます。 「それは精子キラーです」と彼女は説明しましたが、それは染色体を持っていない精子だけを殺します. SD.

過去 3,000 年のどこかで、あるバージョンの SD 染色体DNAの大きな断片を捕まえ、スーパージーンとして知られるスーパージーンを作り出した SDマル アフリカ全土のショウジョウバエの個体群に広がりました。 「それは本当に究極の利己的な遺伝子です」とララクエンテは言いました。

Larracuente による DNA 配列決定と分析、 デイヴン・プレスグレイブス と彼らの同僚は、 SDマル 間の組換えがほぼ完全に欠如していることから予測されるように、有害な変異を蓄積します。 SDマル とその姉妹染色体。 しかし、研究者たちは予想したほど多くの変異を見つけられませんでした。

彼らが発見した理由は、時にはハエが XNUMX つの染色体を受け継ぐことがあるということです。 SDマル —そして、これらXNUMXつの超遺伝子は、それらの間の組換えを可能にするのに十分なほど似ています. この組換えにより、ハエのスーパージーンから有害な突然変異を徐々に排除することが可能になります。

「結局のところ、ほんの少しの組み換えで十分です」とララクエンテは言いました。 彼女と Presgraves は現在、他の人を探しています。 SD 超遺伝子のより一般的な進化と影響の手がかりとして、野生のショウジョウバエ個体群の超遺伝子。

彼らの結果は、ゲノムに対する組換えの精製効果が重要であることを示しています。 超遺伝子の安定した予測可能な遺伝が可能にする複雑な形質は、種が適応するのを助ける上で非常に貴重かもしれませんが、超遺伝子でさえ、時々物事を混ぜ合わせることから利益を得ることができます.