甲虫の一種が解き明かす、器官の進化の新たな知見

• カリフォルニア工科大学の科学者たちは、甲虫の一種の助けを借りて、器官の進化について新たな知見を得ました。

• ハネカクシは身を守るため、捕食者に有毒な化学物質を噴射する化学腺という独特の器官を進化させてきました。

• この研究は、動物界全体で複雑な器官がどのように進化しうるかについて、新たなパラダイムを示しています。

心臓、脳、腎臓などの器官は、特定の機能を果たすために協調して働くさまざまな細胞が組み合わさってできた複雑な構造です。たとえば、人間の目では約70種類もの細胞が連携し、視覚を可能にしています。異なる種類の細胞は、どのようにしてこのように協調するよう進化するのでしょうか。

この問いに取り組むうえで理想的な生物が、ハネカクシです。ハネカクシ6万4,000種の多くは、身を守るため、捕食者に有毒な化学物質を噴射する化学腺という独特の器官を進化させてきました。今回、カリフォルニア工科大学の研究者たちは、ハネカクシの一種である Dalotia coriariaにおいて、この腺が進化した正確な過程を解明しました。この研究は、動物界全体で複雑な器官がどのように進化しうるかについて、新たなパラダイムを示しています。

この研究は、ジョー・パーカー生物学・生物工学准教授の研究室で行われました。この研究を報告する論文は、12月9日付で学術誌Cellに掲載されます。

たとえばDalotiaなどのハネカクシには、体だけでは捕食者から身を守れないため、化学防御システムが必要です。ほかの甲虫と異なり、ハネカクシは腹部が柔軟で、ほかの甲虫がすみかにできない土壌環境を縫うように移動し、そこに生息できます。しかし、この柔軟性のために腹部は無防備となり、化学防御を発達させる強い進化圧がかかりました。

Dalotiaは、いわゆる背板腺をもち、2種類の化合物からなる不快な混合物を放出します。1つ目はベンゾキノンで、非常に有毒ですが、単独では固体として存在するため、捕食者にとって危険ではありません。2つ目は溶媒で、アルカンと3種類のエステルを混ぜたものです。この中にベンゾキノンを溶かすことができます。溶媒の混合物だけなら無害ですが、ベンゾキノンを溶かすことで、それを武器に変えます。

捕食者に遭遇すると、Dalotiaはサソリのように腹部を跳ね上げ、背板腺から敵に向けてこの混合物を噴射します。

今回、パーカー研究室の研究者たちは、背板腺が2種類の独特な細胞から成ることを発見しました。一方は固体のベンゾキノンをつくり、もう一方はその有害な化学物質を溶かす溶媒をつくります。

「この甲虫は、分子、細胞、行動の各レベルでの変化を通じ、進化の過程で新しい生態学的関係がどのように生まれるかを理解するうえで、素晴らしいモデルです」とパーカーは述べます。「この問いの一環として、異なる細胞種が協調して働く腹部の腺構造を、ハネカクシがどのように組み上げたのかに強い関心を寄せています。こうした構造は、大きな難問を体現しています。互いに切れ目なく協調するように見える多様な細胞種から成る複雑な器官は、どのように進化するのでしょうか。進化の過程でこの協調性がどう生まれるのかを説明するのは困難です。」

研究チームは単一細胞RNAシーケンシングを用いて各細胞種の遺伝子発現を調べ、各化合物の生成につながる生合成酵素経路を特定しました。続いて、甲虫の腹部にあるほかのすべての細胞種の遺伝子発現も調べられるよう、単一細胞の「アトラス」を作成しました。この手法により、各種類の腺細胞とその特殊な機能は、甲虫の別の場所にある、より古い細胞種の遺伝要素と機能を、フランケンシュタインのようにつなぎ合わせることで生じたと明らかになりました。

驚くべきことに、細胞種の1つである溶媒産生細胞は、甲虫の外骨格を構成する細胞と、脂質をつくって蓄え、フェロモンを産生する2種類の古代の代謝細胞種が組み合わさったものです。「甲虫は、こうした古代の代謝細胞種から主要な遺伝子発現プログラムを取り込み、クチクラの一部に組み込むことで腺をつくり出しました」とパーカーは述べます。

さらなる実験の一つでは、甲虫をアリの捕食者と対峙させる場に置きました。その結果、溶媒またはベンゾキノンの経路のいずれかを抑制すると、甲虫は防御能力を失うことが分かりました。このことは、自然選択のもとで甲虫の化学防御システムを生み出すには両方の細胞種が必要であることを示唆しています。また研究者たちは、背板腺がつくる混合物に抗菌作用があることも発見しました。これにより、この新しい器官の適応上の価値はさらに高まります。

著者らは、この腺が2種類の細胞の共進化によって生じたと考えています。「溶媒細胞は、アルカンとエステルに溶ける固体のベンゾキノンをつくる第2の細胞種のために、生態的なニッチをつくりました。非常に有毒な分泌物が生まれて腺の適応上の価値が大きく高まり、2種類の細胞は協調して働く一体のものとなりました。つまり、新しい器官が生まれたのです」とパーカーは述べます。

2種類の細胞がどのように相乗効果を発揮するかを明らかにするには、学際的なアプローチが必要でした。そう語るのは、本研究の筆頭著者であり、ライフサイエンス研究財団のポスドク研究員兼シモンズ・フェローであるエイドリアン・ブリュックナーです。「甲虫がなぜこの精密な化学混合物を進化させたのかを解明するには、分泌物の物理化学的特性を調べる必要がありました」と彼は述べます。幸運なことに、ジュリア・コーンフィールド研究室の大学院生ロバート・リアシュ（修士課程、2021年修了）は、ちょうど微小液滴レオメーターを開発したところでした。これは、甲虫の分泌物を含む、微量の液体の物理的特性を測定できる装置です。コーンフィールドは化学工学のエリザベス・W・ギルーン教授です（学士課程、1983年修了、修士課程、1984年修了）。

「これはカリフォルニア工科大学らしい共同研究でした」とブリュックナーは説明します。「腺の分泌物を合成し、ロブの協力を得て、Dalotiaがほぼ最適な混合物をつくることを示せました。強い毒性に加え、化学防御に効果的な適切な粘度と広がりやすさを備えています。」

これらの知見をもとに、パーカーの研究グループは各細胞種の酵素経路が互いに共進化してきたことを示しました。「最終的な分泌物が効率よくつくられるよう、進化の過程でこれらの経路が組み立てられました」とブリュックナーは述べます。

パーカーによると、「このシステムの優れた点は、酵素の触媒特性から、生合成経路におけるその役割、さらにその経路が発現する細胞種の機能まで、進化の過程のあらゆるスケールを実験的につなげて考えられることです。そして、これは腺内のほかの細胞種との適応的な協調相互作用や、生態学的な状況においてそれらが器官全体として甲虫の適応度に及ぼす影響を踏まえて初めて理解できます。」

パーカーはさらに、Dalotia'の背板腺で明らかになった進化の過程は、人間の目など、より複雑な器官の進化を理解するうえにも応用できると付け加えます。「背板腺で起きていることを考えてみてください。細胞種が2つだけの器官です。細胞種が新たな細胞種の加わるニッチをつくり、同じ過程がさらに繰り返されて、最終的に非常に複雑な多細胞構造が生まれることも想像できます。」

論文のタイトルは「動物の化学防御システムにおける協調細胞種の進化的形成」です。共著者には、大学院生のジーン・バドルースとリアシュ、研究技術者のミナ・ユセフェラヒエ、ポスドク研究員のシーラ・キッチン、そしてパーカーが名を連ねます。研究資金は、リタ・アレン財団の研究者賞、アルフレッド・P・スローン研究フェローシップ、シャール・アンド・ケイ・カーシ財団の助成金、クリンゲンシュタイン・シモンズ・フェローシップ賞、全米科学財団のCAREER賞によって提供されました。パーカーは、カリフォルニア工科大学の天橋・クリッシー・チェン神経科学研究所の関連教員です。