ウイルス様トランスポゾンは種の壁を越え、遺伝的非互換性の進化を促進する

ウイルス様トランスポゾンは種の壁を越え、遺伝的非互換性の進化を促進する
SONYA A. WIDEN HTTPS://ORCID.ORG/0000-0001-7224-2701, ISRAEL CAMPO BES HTTPS://ORCID.ORG/0000-0003-1394-6623, [...], AND ALEJANDRO BURGA HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-0211-4357 +3著者情報&所属
科学
30 Jun 2023
380巻 6652号
DOI: 10.1126/science.ade0705
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編集部要約
遺伝子の水平転移は、ある種のDNAが別の種の生殖細胞系列に非性的に組み込まれることで起こる。線虫Caenorhabditis briggsaeの研究において、Widenらは、マーベリックと呼ばれる古代のウイルス様トランスポゾンに起源を遡ることができる毒素-解毒系を同定した。著者らは、毒素の作用の原因となる変異を解明し、深く分岐した線虫種間の複雑な遺伝子水平移動パターンを特定した。これらの移転によって、いくつかの遺伝子が、しばしばマーベリックの近傍で交換された。このことは、これらのトランスポゾンが、より広く動物における水平遺伝子移転のベクターとして働く可能性を示唆している。-コリーヌ・シモンティ
構造化アブストラクト
はじめに
DNAといえば、親から子への遺伝を思い浮かべる。しかし、DNAは血縁関係のない個体間、さらには異なる種に属する個体間でも、水平遺伝子伝達（HGT）として知られる過程で伝達されることがある。HGTはバクテリアにおいて最もよく知られているが、真菌類、植物、動物を含む広範な真核生物においても起こりうることを示す証拠が増えつつある。しかしながら、HGTの最も魅力的な側面の1つである、後生動物における遺伝子転移のメカニズムは、ほとんど解明されていない。
理由
多くの微生物は環境からDNAを取り込むことができ、なかには仲間間でDNAを移動させるための特別な機械さえ進化させてきた。これとは対照的に、多細胞生物間でのDNAの移動は、より大きなロジスティクスの問題を引き起こしている。HGTが行われるためには、まずDNAが提供種から外に出て、（物理的・分子的に守られている）第二の種の生殖細胞系列と密接に接触し、最後に新しい宿主のゲノムに組み込まれなければならない。ウイルスは宿主からDNA配列を取り込み、ゲノムに組み込まれ、異なる種に感染することが知られているため、HGTを媒介するという仮説が長い間立てられてきた。しかし、その証拠は乏しく、寄生蜂のゲノム内で共進化した高度に特殊化したウイルス共生体に限られている。
研究結果
線虫を研究する中で、我々は真核生物におけるHGTのベクターの一つとして長い間注目されていたものを発見した： マーベリック・エレメントである。マーベリックはポリントンとしても知られ、トランスポゾンとウイルスの両方の特徴を併せ持つユニークなものである。トランスポゾンと同様、マーベリックは末端逆反復配列に挟まれており、容易にゲノムにジャンプして挿入することができる。ウイルスと同様に、B型DNAポリメラーゼ、レトロウイルス様インテグラーゼ、メジャーおよびマイナーカプシドタンパク質など、多数のタンパク質をコードしている。我々は、wospプロテアーゼとkrmaキナーゼという2つの新しい線虫遺伝子ファミリーが、マーベリックスによって優先的にカーゴとして取り込まれ、異なる線虫種間で地球規模で広範囲に移入されていることを発見した。これらの移行の多くは、おそらく数億年前に共通の祖先を持った種間で起こった。私たちはまた、線虫マーベリックが、単純ヘルペスウイルス1の糖タンパク質Bに構造的に最も類似した新しい融合因子MFUS-1（マーベリック融合因子の意）を捕獲したことも発見した。この出来事は、ゲノム・レトロエレメントからレトロウイルスが誕生したのと同様に、エンベロープ感染性粒子の形成を通してマーベリックの拡散を促進したと考えられる。最後に、水平移動したwospプロテアーゼ、msft-1とMULE（Mutator-like elements）トランスポゾンの結合が、線虫Caenorhabditis briggsaeにおいて、野生個体群の遺伝的非互換性を引き起こす移動性毒素-解毒エレメントという、新しいタイプの利己的遺伝子を誕生させたことを示す。
結論
我々の研究は、ウイルスとトランスポゾンの絡み合った生物学が、最終的に個体群間の遺伝子フローにどのような影響を与えうるかを示している。実際、HGTは遠縁の個体群間で配列の類似性が高い領域をもたらし、選択または内進の仮面をかぶることがある。自然界には異なるHGTのベクターが存在すると考えられるが、我々は、マーベリックスや、ウイルス的性質を持つ類似のトランスポゾンが、脊椎動物を含む他の真核生物の系統におけるHGTを媒介する可能性があると予測している。
マーベリックは線虫間のHGTを媒介する。
(A）マーベリックはトランスポーザブルエレメントとウイルスの両方の特徴を備えている。線虫では、既知のウイルス性フーゾゲンと構造的に類似した新しいタンパク質MFUS-1を獲得した。(B）私たちは、2つの新しいタンパク質ファミリー（カーゴ遺伝子）が、マーベリックスとの関連によって、異なる属に属する種間であっても、地球規模で線虫の種間で広範囲に移入されていることを見いだした。
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概要
遺伝物質の種間移動である遺伝子の水平移動は、すべての主要な真核生物の系統で報告されている。しかし、その根底にある移動のメカニズムやゲノム進化への影響については、まだ十分に理解されていない。我々は、線虫Caenorhabditis briggsaeにおける利己的要素の進化的起源を研究する中で、巨大ウイルスやウイルスファージに関連する古代のウイルス様トランスポゾンであるマーベリックが、長い間待ち望まれていた水平遺伝子転移のベクターの一つであることを発見した。私たちは、マーベリックが線虫の中で新規のヘルペスウイルス様融合遺伝子を獲得し、数億年にわたる性的・遺伝的障壁を迂回して、極めて多様な種間で広範な貨物遺伝子の交換をもたらしたことを発見した。この結果は、ウイルスとトランスポゾンの結合が、いかにして遺伝子の水平伝播を引き起こし、最終的に自然個体群における遺伝的非互換性をもたらすかを示している。
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参考文献と注釈
1
B. J. Arnold, I.-T. Huang, W. P. Hanage, 細菌における遺伝子の水平移動と適応進化. Nat. 微生物学（Rev. Microbiol. 20, 206-218 (2022).
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2
J. (1)遺伝子組換え体(トランスポーザブル・エレメント)の水平伝播を系統学的解析で支持する。(株)日本生物検定協会。Mol. Evol. 11, 40-50 (1994).
公開情報
ISI
グーグルスクーラー
3
E. グラディシェフ、メセルソン、アルキピポワ、ワムシにおける大規模な遺伝子の水平移動。Science 320, 1210-1213 (2008).
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出版物
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4
L. A.グラハム、P.L.デイヴィス、脊椎動物における水平遺伝子転移： その顛末は以下の通りである。Trends Genet. 37, 501-503 (2021).
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