Frontiers｜Genomic basis of evolutionary change: evolving immunity｜遺伝学

Frontiers in Genetics

9月 20, 2021

admin

はじめに

多くの形質は複数の遺伝子と環境条件によって制御され調整されている。自然界では、このような形質は局所的な選択圧と中立的なプロセスの下で絶え間なく進化し、豊かな表現型の多様性と環境対処戦略をもたらしている。すでにDobzhansky（1964）は、生物界における豊かな多様性は、遺伝子の多様性、環境の不均質性、分子生物学と生物学の相互作用で進化する適応の結果であると述べている。進化における分子機構の解明は、特に困難であった。まず、遺伝子型と表現型を結びつけることが必要である。このリンクは、広範かつ複雑な遺伝子相互作用ネットワークで構成されています（Ayroles et al.）次に、表現型適応の原因となる分子変化を特定する必要があります。これは、遺伝子相互作用ネットワークのどこにでも起こりうる遺伝的変異と遺伝的変化の解明にかかっている（例えば、Edwardsら、2009）

遺伝子ネットワークにおける遺伝的変異の発現は、非常に複雑である。単一の遺伝子の変化は、遺伝子ネットワーク全体の活性やトポロジーにさえ影響を与える可能性がある（例えば、Knight et al.）遺伝子や遺伝子相互作用ネットワークは多面的であることが多く、様々な形質やプロセスを制御していることから、単一の遺伝子における変化が複数の形質に現れる可能性があることを意味している（Stearns, 2010）。逆に、多くの遺伝子の対立遺伝子の変異が、ある特定の表現形質の変異に寄与している可能性もある（Manolio et al.）さらに、エピスタシスが蔓延しており、複数の遺伝子座における対立遺伝子変異が、互いの表現型効果に影響を与える可能性を示唆している（Phillips, 2008; Mackay and Moore, 2014; Moore and Williams, 2015）。進化の遺伝的基盤に関するこうした考察は新しいものではなく、数十年にわたり研究されてきた（例えば、Wagner and Altenberg, 1996）。順遺伝学や逆遺伝学は、特定の形質に対する単一遺伝子や突然変異の機能を解明する上で大きな成功を収めてきた（Nagy et al.）しかし、これらの技術は、表現型の根底にある複雑な分子相互作用ネットワークや、複雑な形質の進化の分子メカニズムを研究する際には限界がある。

ゲノミクス技術の発展は、表現型形質やその進化に関する遺伝的複雑性を研究する我々の能力を大きく後押ししている（Stapley et al.）これらの技術を古典的な遺伝学のアプローチと組み合わせることで、表現型形質に対する遺伝的変異の機能性を評価することができるようになった（Storz and Wheat, 2010）。いくつかのモデル生物に関する最初のゲノム研究では、特定の環境条件に対するものであっても、進化的適応は一般に多くの遺伝子や遺伝子座を支配し、遺伝子発現パターンの動的制御を行うことが強調されました（Gasch et al.、2000；Fay et al.、2004；Pedra et al.、2004）。その後10年間、多くの研究がゲノミクスを利用して、特定の形質や生態的相互作用に寄与している遺伝子やタンパク質を同定した。当初、単一のゲノムの配列決定に必要なコストと時間は、まだ非常に限られていた。しかし、次世代シーケンサーによって、より多くの種、そして種ごとのより多くの個体のゲノムの配列決定が可能になった。これは、進化の過程でゲノム全体がどのように変化したかを初めて明らかにするものであり、進化を研究する上で非常に重要なリソースとなります

ゲノムテクノロジーは、進化の過程に対する我々の洞察を改善する大きな可能性を秘めています。ゲノム配列や遺伝子相互作用ネットワークの変化を長い進化のタイムスケールでマップするために、比較アプローチが適用されてきた（Drosophila 12 Genomes Consortium et al.2007; Nowick et al.2009; Jones et al.2012）。実験的選択または実験的進化アプローチに続いて、トランスクリプトミクスまたはゲノム配列決定が行われ、より短い時間スケールでの進化的変化がマッピングされてきた（Hunt et al., 2010; Turner et al., 2011; Wertheim et al., 2011; Tenaillon et al., 2012; Linnen et al., 2013; Jalvingh et al., 2014）。これらの研究は、例えば、小さなサブセットの遺伝子における遺伝子重複、突然変異、強い配列分岐が、大規模な遺伝子相互作用ネットワークの転写活性や複数の表現形質に大きな影響を与えることを示した

この観点では、進化する免疫を事例として、進化のゲノム基盤に関する最近の知見と展開を紹介する。免疫は急速に進化する形質であり、進化過程のゲノム基盤を研究するのに適している（Obbard et al., 2009; Sironi et al., 2015）。さらに、免疫における分子ネットワークは、人間の健康にとって重要であるため、かなりよく理解されている（Schadt, 2009; Lazzaro and Schneider, 2014; Zak et al, 2014）。まず、自然免疫反応の分子ネットワークと免疫反応に作用する選択プロセスに関する我々の現在の理解をごく簡単にまとめる。次に、ショウジョウバエの免疫応答の特定の側面の獲得、喪失、調節に関連するゲノムの変化について説明する。最後に、複雑な形質と進化過程の遺伝的構造を研究するための将来の方向性を提案する。

免疫応答

免疫系は、病原体や寄生虫に対する防御に共同で作用する生理学的プロセスの組み合わせから構成されている。自然免疫は、すべての多細胞生物に見られる古くからの特質であり、脊椎動物は獲得免疫も持っている。どちらの免疫系も、細胞性免疫と液性免疫から構成されている。細胞性免疫は、防御機能を持つ特殊な細胞から構成されている。これには、微生物の貪食、大きな異物の封じ込め、あるいは抗原の認識（獲得免疫）のための血液細胞のクラス、物理的バリアを形成し防御化合物を分泌する上皮細胞による腸の内壁が含まれる。体液性免疫は、侵入した病原体と闘う細胞外因子の放出で構成され、多くの場合、特殊な組織や細胞集団から放出される。これには、肝臓（無脊椎動物では脂肪体）および腸上皮細胞による抗菌ペプチド（AMP）の放出、食細胞および上皮細胞における活性酸素種、および白血球からの抗体（獲得免疫において；LemaitreおよびHoffmann，2007；Buchmann，2014）などが含まれる＜844＞＜5597＞複雑な分子相互作用のネットワークは免疫応答を調整している（図1A）。無脊椎動物から脊椎動物まで、同じ経路が免疫応答の中心となっており、免疫における分子ネットワークの中核要素が強く保存されていることを示唆している（Silverman and Maniatis、2001；Evans et al.、2003；Buchmann、2014）。様々な受容体分子は、例えば、病原体関連分子パターン（例えば、細菌膜に特異的なリポポリサッカライド）に基づいて、病原体や寄生虫を認識することが可能である。受容体が活性化されると、Toll経路、Imd経路、Jak/Stat経路などの特定のシグナル伝達経路を誘導する（Lemaitre and Hoffmann, 2007; Buchmann, 2014に総説あり）。これらの経路は、プロテアーゼ、キナーゼ、サイトカイン、その他のタンパク質から構成され、最終的に転写因子と補因子を活性化する。これらの転写因子の誘導は、体液性エフェクター分子（例えば、AMP）の産生をもたらし、それは免疫に関与する細胞の増殖および分化を誘導することができる。異なるクラスの血球の産生は、自然免疫および獲得免疫のいずれにおいても、免疫応答の細胞成分の顕著な側面である。これらの血液細胞では、シグナル伝達カスケードも制御され、細胞の特性や寄生虫の除去を効果的に行うタンパク質を誘導している。免疫反応の強さ、特異性、タイミング、持続時間を制御するために、分子ネットワークはサイトカイン、プロテアーゼ、他のシグナル伝達経路とのクロストークによって調節される（Liew et al.）これには、多様な転写後調節ネットワークも含まれる（Ivanov and Anderson, 2013; Carpenter et al., 2014）

図1

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Figure 1. 免疫における遺伝子ネットワークの模式図。 (A）いくつかの相互接続されたネットワークが、免疫チャレンジに対する反応を調整する。これらのネットワークは、転写因子（六角形で表される）の発現を制御するシグナル伝達カスケードでそれぞれ相互作用するタンパク質（丸で表される）で構成される。中核となるシグナル伝達経路（例えば、IMD、Toll、Jak/Statなど、タンパク質間の太線で示す）の活性化により、抗菌ペプチドなどのエフェクター分子（パイ型記号で表す）の産生や特殊細胞（血液）の増殖・分化（雲型図形）が生じる。細胞外や膜に結合した受容体分子（月型の図形）が経路を誘導する。その活性は、パスウェイと相互作用する他の多くのタンパク質によってさらに調節され、他のパスウェイや遺伝子ネットワークとクロストークする（タンパク質間の細い線で示す）。 (B）免疫における遺伝子ネットワークの中心的な構成要素、例えば転写因子とこれらの転写因子と直接接触しているタンパク質は、多くの場合、系統間で強く保存されている。免疫反応の進化的変化のドライバーは、宿主に対する感染の高い適応度コスト、免疫のコスト、宿主を脅かす病原体や寄生虫の豊富な多様性、宿主と病原体の間のダイナミックな共進化的軍拡競争の複合効果である（Schmid-Hempel、2003年）。これらのうち、いずれか、あるいはすべてが宿主の局所環境に作用し、強い淘汰圧をもたらす可能性がある。しかし、選択の種類は、宿主集団がその局所環境で経験するコストと利益によって、方向性、純化、均衡など様々である。例えば、地域社会に侵入した強毒性病原体は、特定の抵抗性対立遺伝子を持つ宿主のみが次の世代に貢献できるため、選択的掃引や方向性のある選択を引き起こすかもしれない。また、多様な病原体が共存する地域社会では、頻度依存的な淘汰や均衡淘汰が起こり、遺伝的変異の維持が促進されるかもしれない。免疫応答の進化は、このような寄生虫との共進化のダイナミクスと、免疫系の生理的・生態的コストの両方を反映している(Kraaijeveld et al, 2002; Rolff and Siva-Jothy, 2003; Schmid-Hempel, 2005; Lazzaro and Little, 2009）

Genomic Basis of Evolutionary Change in Drosophila Immunity

免疫反応の中心装置は強く保存されているが、拡張分子ネットワークのいくつかの要素は急速に進化したり多様化することがある（図 1B）。ショウジョウバエでは、免疫応答の受容体とエフェクターについて急速な進化が報告されている（Sacktonら、2007；Obbardら、2009；Salazar-Jaramilloら、2014）。これらの分子は宿主と病原体の界面で作用するため、宿主による侵入生物の認識や、免疫反応による病原体の標的化や拮抗作用を媒介するために極めて重要である。同時に、寄生体は免疫応答の拮抗作用を回避あるいは緩和するために、検出されないように選択されている。したがって、界面におけるこれらの分子と、免疫反応を調節する分子には、赤の女王のような力学が期待される。各当事者は、拮抗的な軍拡競争において優位に立とうとし、相互に当事者の遺伝子ネットワークの変化を促しているのである。受容体、モジュレーター、エフェクター分子の多様化は、ほとんどが遺伝子重複と急速な配列変化によって達成される（Drosophila 12 Genomes Consortium et al., 2007; Sackton et al., 2007; Salazar-Jaramillo et al., 2014）。

我々は進化過程のゲノム基盤を理解するモデルシステムとして、ショウジョウバエの寄生蜂に対する免疫応答を研究してきた。ショウジョウバエの幼虫は様々な寄生虫の宿主となり、これらの幼虫に卵を産み付ける（Fleury et al.）寄生虫の卵が孵化すると（寄生虫の種類や温度によって異なるが、寄生後約2-4日）、寄生虫の幼虫は宿主を食べ始め、宿主を殺してしまう。ショウジョウバエの一部の種は、メラニンカプセル化という自然免疫反応による寄生虫に対する防御機構を持っている。この免疫応答は、細胞性成分と体液性成分が共同して寄生虫の卵を封じ込め、死滅させるものである。寄生虫の攻撃は、(i)寄生虫卵と互いに接着する2種類の血球細胞（すなわち昆虫の血液細胞）の増殖と分化を誘導する免疫シグナル伝達経路、(ii)寄生虫卵とその周囲の細胞カプセルへのメラニン沈着、を引き起こす (Lemaitre and Hoffmann, 2007)．

ゲノミクス時代以前には、寄生蜂に対する免疫反応に関与するいくつかの遺伝子が同定されていた。血球の増殖と分化には Toll 経路と Jak/Stat 経路が、メラニン化にはプロフェノールオキシダーゼ経路が中心的な構成要素として同定されていた (Brennan and Anderson, 2004 にレビューあり)。次に、寄生虫の攻撃後のメラニン封鎖に関与する可能性のある遺伝子をさらに特定するために、2つのマイクロアレイ研究が行われた。このアプローチにより、これまで寄生虫に対する免疫反応に関連しなかった多くの遺伝子が追加され、その作用時期が明らかになった（Wertheim et al.、2005；Schlenke et al.、2007）。その結果、免疫反応の一部で一時的に発現量が増加または減少する、協調的かつ機能的に一貫した遺伝子群がいくつか明らかになった（Wertheim et al.、2005）。興味深いことに、2種の寄生虫の毒性機構は、宿主の反応の遺伝子ネットワークへの干渉の仕方が異なることが示されました。ある種はネットワーク全体の最初の活性化を排除し、別の種はカスケードの最終段階をターゲットにしていました (Schlenke et al., 2007).

ショウジョウバエの種は、寄生虫に対する免疫が大きく異なっています。寄生虫に対して完全に感受性がある種もあり、これは免疫不全として報告されている(Eslin and Doury, 2006)。しかし、詳しく調べてみると、寄生虫抵抗性はショウジョウバエの全種に共通するものではなく、いくつかのクレードに限定されることがわかりました。そのうちの1つのクレードであるメラノガスター亜群では、寄生虫抵抗性の進化的獲得が、同じクレードに限定される新しいタイプの血液細胞であるラメラサイトの獲得に関連していることを明らかにした（Salazar-Jaramillo et al.、2014）。メラノガスター亜群以外のショウジョウバエの中にも寄生虫卵を封入できる種があるが、封入反応のために異なるタイプの血球を進化させたようだ（Havard et al.2012; Márkus et al.2015）．寄生虫に対する免疫応答は、様々な昆虫分類群において独自に進化しており、そのメカニズムや血球の種類も微妙に異なることが多い（Lavine and Strand, 2002）。このように、自然免疫系の進化には、新しい構成要素や “モジュール “が加わっている。このことは、新しいモジュールを獲得する際にゲノムがどのように変化するのかという問題を提起する。

比較ゲノム解析の結果、メラノガスター亜群では新しいタイプの血球を獲得したにもかかわらず、ラメラ細胞分化のために知られている遺伝子は全系統にわたってほぼ保存されていることが判明した。また、寄生虫の攻撃に反応してラメラサイトを作らない種も、ラメラサイトの分化に必要なこれらの遺伝子を有している。さらに、これらの遺伝子は、新規機能を獲得した遺伝子に期待されるような分岐や選択の兆候をほとんど示さなかった。このことは、血球分化のための既存のシグナル伝達経路が、周囲の遺伝子相互作用ネットワークによって調節され、メラノガスター亜型の新しいタイプの血球を作り出していることを示唆している。このような既存のコア血球増殖経路の共役は、遺伝子相互作用ネットワークに他のあるいは新たな構成要素を加えることで実現されていると考えられる（Salazar-Jaramillo et al.、2014）。我々は、ラメラサイト獲得時期に生じ、寄生虫に対する免疫応答時に発現が異なる、受容体分子やセリン型プロテアーゼなどいくつかの新規遺伝子を同定した（Salazar-Jaramillo et al.）この遺伝子相互作用ネットワークの拡大には、特にセリン型エンドペプチダーゼが重要な役割を担っているのではないかと考えている。これらの分子の相当数は、ラメラサイト獲得時に生じ、免疫反応の適切なタイミングで発現し、正の選択の強いサインを示す（Wertheimら、2005；Salazar-Jaramilloら、2014）。ヨーロッパ各地から集められた野外個体群では、寄生虫の卵をうまく包み込む能力にかなりの違いが見られる（Kraaijeveld and van Alphen, 1995; Kraaijeveld and Godfray, 1999; Gerritsma et al, 2013）。どうやら、強力な免疫防御のコストと利益は地理的に異なり、共適応する遺伝的ネットワークの変調と分化につながるようだ。このことは、寄生虫の攻撃後の血球反応にも反映されていた。圃場系統は、カプセル化に高度に成功した系統の間でも、寄生虫の攻撃に反応して産生するさまざまな血球の絶対数や相対数にかなりのばらつきがあった（Gerritsma et al.、2013）。このことは、集団の遺伝的背景と局所的な淘汰圧の組み合わせが、代替的な進化的反応をもたらすことを再認識させる。複数の集団の抵抗性個体と感受性個体のゲノムを比較することで、この形質の遺伝的構造の適応的変異が明らかになるかもしれない。

抵抗性増大の進化過程におけるゲノムの変化をマップするために、寄生虫抵抗性の実験的進化を行った。実験室において、大規模なアウトブリード集団を寄生虫に曝した。寄生虫の攻撃から生き残ることに成功した幼虫だけが、次の世代に貢献することを許された。この方法により、わずか5世代で、寄生虫の攻撃に耐える幼虫の抵抗性を20%から50%まで高めることができました。選択された個体群における遺伝子発現の変化を、寄生虫の攻撃前でも対照系統の遺伝子発現と比較して測定したところ、わずかに制御が異なる数百の遺伝子が見つかった(Wertheim et al., 2011)。この変化は、免疫反応時には発現が変化しない遺伝子がほとんどであったことから、進化的変化によって寄生虫の攻撃を想定した免疫反応があらかじめ活性化されたのではなく、標準的な発生経路が調節され、その防御能力が（も）向上したことが示された。この実験を繰り返し、選択集団と対照集団のゲノムの塩基配列を決定した。抵抗性が向上した系統のゲノムでは、ゲノムの複数の狭義の領域に選択の痕跡を見出した（Jalvingh et al.）また、これらの領域の一部は、抵抗性増加のための選択後に発現の変化が見られた領域と重複していた（Wertheim et al.2011; Jalvingh et al.、2014）。このように、免疫のような複雑な形質に対する高速で強い選択的掃射は、複数の、しかし非常に局所的なゲノム領域に影響を与えることができる。

今後の課題

遺伝子相互作用ネットワークにおける新しい遺伝子の獲得などの長期的な進化的変化と、集団を通じて掃射できる配列変種などの短期的進化的変化はどのように調和させようとしているのだろうか。その鍵は、（i）複雑な形質の基盤となっている遺伝子相互作用ネットワークを再構築すること、（ii）これらのネットワークの中での遺伝的変異の役割を特徴づけること、にある。遺伝子のネットワークは、例えば重複によって新しい遺伝子が加わり拡大したり、他のネットワークやモジュールと相互接続したり、小さな配列変異がネットワークの活性やトポロジーを変化させたりすることがある。遺伝的ネットワークを分解し、ネットワーク上の遺伝的変異の役割を評価することができれば、最終的には遺伝的変異がどのように表現型の変異に変換されるかを明らかにすることができるようになるであろう。これはまた、複雑なヒト疾患の分子基盤や、自然免疫と獲得免疫の進化についての理解を深めることになる（Cooper and Alder, 2006; Manolio et al., 2009; Star et al., 2011; Mackay and Moore, 2014; Sironi et al., 2015）。

システム生物学アプローチは、複雑な遺伝子相互作用ネットワークを解き明かす上で非常に有益であると考えられる。そこでは、形質の根底にある分子メカニズムを記述し、ネットワークの相互作用成分群のダイナミクスを予測するための数学モデルが開発される。このモデルは、分子遺伝学とゲノミクスのデータに基づいている。現在、システム生物学は単細胞生物の特定の形質に適用されることがほとんどであり、これが実現可能な限界と考えられている（Papp et al.）しかし、このモデルは有性生殖を行う多細胞生物の進化を代表するものではない可能性がある。単純化されたモデルが小さなサブネットワークを正確に反映するのを待つのではなく、膨大なゲノムデータから出現する特性を活用し、定量化する手法を開発・改良することが必要である。タンパク質間、転写産物間の相関や共発現マトリックスから遺伝子相互作用ネットワークを推測し(Shannon et al., 2003; Langfelder and Horvath, 2008)、これらを自然変異解析と融合させる(Nuzhdin et al., 2012)ことができる。これらの手法や代替アプローチをさらに発展させ、ゲノムデータの測定値を十分に活用し、これらの定量的測定値をネットワーク解析に変換する必要がある。ゲノムデータそれ自体は、何が生命の適応能力を決定しているのかについての完全な答えを提供するものではないが、進化の過程で分子レベルで何が起こっているのかを定量的に観察することは可能である。これを適応のドライバーとしての環境異質性と組み合わせ、統合すれば、適応と進化の複雑な分子メカニズムを明らかにすることができるかもしれない。

利益相反声明

著者は、本研究が利益相反の可能性と解釈される商業的または金銭的関係がない状態で行われたことを宣言する。

謝辞

Kirsten Jalvingh、Laura Salazar-Jaramillo およびSylvia Gerritsmaに貴重な議論をいただいたことに感謝の意を表する。 BWはオランダ科学研究機構（NWO; grant 864.08.008）の資金援助を受けた。

Aggarwal, K., and Silverman, N. (2008). ショウジョウバエの免疫応答の正負の制御。 BMB Rep. 41, 267-277. doi: 10.5483/BMBep.2008.41.4.267