真冬、氷に覆われた北極海の水温はゼロ以下になることもあります。 多くの魚が凍ってしまうほどの寒さですが、タラには関係ありません。 血液や組織に含まれるタンパク質が小さな氷の結晶と結合し、その成長を止めるのです。

タラがなぜこのような才能を持っているのかは、進化生物学者のヘル・テッサンド・バールズルードが解決したかったパズルでした。 オスロ大学の研究チームは、大西洋マダラ (Gadus morhua) とその近縁種数種のゲノムを検索し、不凍遺伝子のいとこを突き止めようと考えました。 しかし、そのような遺伝子は見つからなかった。 当時、新しい親であったバールスルーは、睡眠不足が明らかな何かを見逃しているのではないかと心配しました。

しかし、彼女は、生物学者が長い間考えていたように、遺伝子は常に既存のものから進化するわけではないことを示唆する研究に行き当たりました。 むしろ、機能的な分子をコードしていないゲノムの荒涼とした部分から形成されるものもあるのです。 タラの生存に不可欠な不凍タンパク質は、一見してゼロから作られたように見えたのだ1。 その時点で、別の研究者も同様の結論に達していました2

タラは良い仲間に恵まれました。 過去5年間、研究者たちは、調査したあらゆる系統で、こうした新しく作られた「デノボ」遺伝子の兆候を数多く発見している。 その中には、ミバエやマウスなどのモデル生物、重要な作物植物、ヒトが含まれます。ある遺伝子は脳や精巣組織で発現し、別の遺伝子はさまざまな癌で発現します。

デノボ遺伝子は、進化論のいくつかの部分の再考を促してさえいます。 従来の常識では、新しい遺伝子は既存の遺伝子が偶然に複製されたり、他の遺伝子と混合されたり、分解されたりしたときに生じる傾向があると考えられていましたが、現在ではデノボ遺伝子は極めて一般的であると考える研究者もいます。ある研究では、遺伝子の少なくとも10分の1はこの方法で作られる可能性があり、他の研究では、遺伝子複製からよりもデノボから生まれる遺伝子の方が多いと見積もっています。 このように生物が新しい遺伝子を獲得する能力は、進化の「一見不可能に見えることを可能にする可塑性」の証であると、北京の中国科学院動物学研究所の遺伝学者で、人間の脳におけるデノボ遺伝子の役割を研究しているYong Zhangは述べています。

しかし、研究者たちは、ある遺伝子がデノボであると明確に特定する方法をまだ見つけ出していませんし、どのようにして、どれくらいの頻度で生まれるのか、正確にはまだ疑問が残っています。 また、これほど多くの遺伝子材料がすでに存在しているのに、なぜ進化はわざわざゼロから遺伝子を作り出すのだろうかという疑問もある。 このような基本的な疑問は、この分野がいかに若いかということの表れである。 バールズルッド氏は、「デノボ遺伝子進化が否定されるまでに、それほど長い年月をさかのぼる必要はない」と述べています。 大野晋が、ほとんどの遺伝子は重複によって進化したという仮説を打ち出したとき3、彼は「厳密な意味で、進化においてデノボで作られるものはない」と書きました。 遺伝子の複製は、DNA 複製の過程でエラーが発生し、1 つの遺伝子が複数個作られたときに起こります。 何世代にもわたって、これらの遺伝子は変異を受け、分岐し、最終的にはそれぞれが独自の機能を持つ異なる分子をコードするようになります。 1970年代以降、研究者たちは、進化がどのように遺伝子に手を加えるかについて、他にも多くの例を発見してきた。既存の遺伝子を分解したり、種間で「横移動」させたりすることができるのだ。 これらのプロセスにはすべて共通点があり、その主な成分は、よく整備された分子機械の既存のコードです。

しかし、ゲノムには遺伝子だけでなく多くのものがあります。 その一方で、「ジャンク DNA」と呼ばれる、何の機能もないように見える DNA が大量に存在しています。 たとえば、3文字のコドンが散在しており、理論的には、細胞に対してコードをタンパク質に翻訳するように指示することができます。 遺伝子配列の解読が進み、近親者の全ゲノムを比較できるようになると、研究者は、遺伝子が進化の過程でかなり急速に消滅する可能性があるという証拠を発見し始めました。 そこで研究者たちは、遺伝子も同じようにすぐに生まれるのではないかと考えたのです。

2006年と2007年に、カリフォルニア大学デービス校の進化遺伝学者デビッド・ベガンは、特定の遺伝子がミバエでデノボに生じたことを証明する最初の論文と見なされるものを発表しました4,5。 この研究は、これらの遺伝子を雄の生殖に関連付けるものである。 その少し前には、スペイン・バルセロナにあるホスピタル・デル・マール医学研究所の進化ゲノム学者マー・アルバが、進化的にみて若い遺伝子ほど速く進化する傾向があることを明らかにしていた6。 これは、若い遺伝子がコードする分子はあまり洗練されておらず、より多くの調整を必要とするためではないかと彼女は推測している。これは、遺伝子がデノボ（de novo）に生じた結果であり、古い遺伝子から進化したものほど以前の機能に強く縛られていないためではないかという。 アルバーとベガンの両氏は、このテーマに関する初期の研究成果を発表するのは難しいことだったと振り返る。 アルバは、「懐疑的な見方が多かったですね」と言う。 「7165>

デノボ遺伝子がどのような働きをするのかも解明され始めている。 例えば、ある遺伝子はセイヨウアブラギリ（Arabidopsis thaliana）がデンプンを生産することを可能にし、別の遺伝子は酵母細胞の成長を助ける。 これらの遺伝子が宿主に何をしているかを理解することは、これらの遺伝子がなぜ存在するのか、つまり、既存の物質から進化するのではなく、ゼロから創り出すことがなぜ有利なのかを説明するのに役立つはずです。 「とベグンは言います。

待機中の遺伝子

デノボ遺伝子の研究は、遺伝学の一部であり、思考実験であることが判明しています。 「なぜこの分野は難しいのか」と、ペンシルバニア州のピッツバーグ大学のアンヌ＝ルクサンドラ・カルヴニスは問いかけます。 「それは哲学的な問題なのです。 その核心は、カルヴニスが10年間問い続けてきた、「遺伝子とは何か」という疑問です。

遺伝子は一般に、機能分子をコードするDNAまたはRNA配列と定義されます。 しかし、酵母のゲノムには、オープン リーディング フレーム (ORF) と呼ばれる配列が何十万とあり、理論的にはタンパク質に翻訳される可能性がありますが、遺伝学者たちは、短すぎるか、近縁種の生物とは見た目が違いすぎて、確かな機能を持つとは思えなかったのです。 2012 年に発表した研究7 では、これらの ORF が RNA に転写され、タンパク質に翻訳されているかどうかを調べました。遺伝子と同様に、多くの ORF が翻訳されていましたが、そのタンパク質が酵母にとって有用であるかどうか、あるいは機能を果たすのに十分なレベルで翻訳されているかどうかは不明でした。 「では、遺伝子とは何なのでしょうか？ とカーヴニスは言う。 しかし、彼女が発見したと考えているのは、「進化のための原料、貯蔵庫」です。

これらの待機中の遺伝子、つまりカーヴュニス氏と彼女の同僚が原始遺伝子と呼ぶものの中には、他の遺伝子よりも長い配列を持ち、DNAをタンパク質に変えるために必要な命令がより多く含まれているものがありました。 原始遺伝子は、非コード化物質を真の遺伝子に変換するための、進化のための肥沃な実験場となる可能性がある。 トリニティ・カレッジ・ダブリンで分子進化を研究しているAoife McLysaght氏は、「これはベータ版の打ち上げのようなものです」と示唆しています。 スウェーデンのウプサラ大学のMichael Knoppとその同僚は、ランダムに生成したORFを大腸菌に挿入して発現させると、細菌の抗生物質に対する抵抗力が高まることを示し、ある配列では抵抗力が48倍になるペプチドが生成されました8。 ドイツ・プレンのマックスプランク進化生物学研究所のディートハルト・タウツとそのチームは、同様の手法で、配列の半分が細菌の成長を遅らせ、4分の1が加速させることを示した9が、この結果については議論がある。 このような研究は、ランダムな配列からのペプチドが驚くほど機能的になりうることを示唆しています。

But random sequences of DNA could also code for peptides that are “reactive and nasty and have a tendency to aggregate and do bad things”, say the evolutionary biologist Joanna Masel of the University of Arizona in Tucson. これらの配列を低レベルで発現させれば、自然淘汰によって、厄介なタンパク質やミスフォールドしたタンパク質を作り出すような危険な部分を排除し、種に残るものを比較的穏やかなものにできるかもしれません」

非コード領域からの遺伝子作成は、他の遺伝子作成方法よりもメリットがあるとアルバーは述べています。 遺伝子の重複は「非常に保守的なメカニズム」であり、祖先と同じ生地から作られた適応性の高いタンパク質を生み出すと彼女は言います。対照的に、デノボ遺伝子は著しく異なる分子を生み出す可能性が高いのです。 そのため、確立された遺伝子やタンパク質のネットワークに適合させるのは難しいかもしれませんが、特定の新しい作業に適している可能性もあります。

新たに作られた遺伝子は、たとえば、環境の変化に対応するために生物を助けることができます。 これは、約 1500 万年前に北半球が冷え込んだときに不凍タンパク質を獲得したタラに当てはまるようです。

出生率

ある生物のどの遺伝子が新たに作られたかを追跡するには、その生物と近縁種の包括的な配列が必要です。 その条件に当てはまるのが、イネという作物なのです。 中国南部の熱帯の島、海南のうだるような暑さは、この作物の栽培に最適な環境である。 イリノイ州シカゴ大学の進化遺伝学者マニュアン・ロングは言う、『ひどいもんですよ。 Long氏の研究チームは、Oryza sativa japonicaという植物にどれだけの遺伝子が新たに出現したのか、また、それらの遺伝子がどのようなタンパク質を作っているのかを知りたかったのです。 そこで研究チームは、近縁種のゲノムと比較し、ある種には遺伝子があるが他の種にはない領域を、アルゴリズムを使って選び出した。 これにより、研究チームは問題の遺伝子につながる非コードDNAを特定し、それが遺伝子となるまでの道のりを追跡することができた。 さらに、この系統に出現したデノボ遺伝子の数を集計したところ、340万年の進化で175個の遺伝子が出現しました10（同じ期間に、この系統は重複によって8倍の遺伝子を獲得しています）。 その答えは実にさまざまであり、アプローチはまだ進化しています。 例えば、初期の研究では、霊長類全体で15個のデノボ遺伝子が見つかりましたが11、後の研究では、ヒトだけで60個が見つかりました12。 デノボ遺伝子の候補を見つける一つの方法は、アルゴリズムを使って近縁種で類似の遺伝子を検索することである。 もし、何も見つからなければ、その遺伝子はデノボで発生した可能性がある。 しかし、近縁種が見つからないからといって、近縁種が存在しないということにはならない。その遺伝子は途中で失われた可能性もあるし、近縁種から遠く離れた場所で形状変化した可能性もあるのだ。 イネの研究では、デノボ遺伝子となった非コードDNAの断片を明確に特定することで、この問題を回避しました。

長い進化の時間スケール（イネの進化の数百万年よりはるかに長い）では、デノボ遺伝子と単にその祖先から大きく分岐して認識できるようになった遺伝子とを区別するのは難しいため、重複からではなくデノボで生じた遺伝子の絶対数を決めることは「ほとんど答えが出ない問題です」とTautzは言います。

異なる手法の結果がいかに多様であるかを示すために、カレッジステーションにあるテキサスA&M大学の進化遺伝学者Claudio Casolaは、別のアプローチを使って過去の研究結果を再分析し、彼らが提案したデノボ遺伝子の40％を確認することができなかった13。 カソラは、このことから、テストを標準化する必要性を感じている。 現在、「非常に一貫性がないように思われる」と彼は言う。

ヒトゲノムのデノボ遺伝子の数え方にも、同じような注意点がある。 しかし、デノボ遺伝子が同定された場合、研究者は健康や病気におけるその役割を探り始めている。 Zhang教授らは、アルツハイマー病患者の脳で、ヒトに特有の遺伝子がより多く発現していることを発見した14。また、以前の研究15では、この遺伝子のある変異体がニコチン依存症に関連していることもわかっていた。 Zhang研究員にとって、デノボ遺伝子とヒトの脳を関連づける研究は、心躍るものである。 「私たちを人間たらしめているのは、私たちの脳であることはわかっています。 それは、今後の研究の道を示唆しています。 Zhang教授は、ヒトのオルガノイド（臓器のモデルとなる培養細胞）を用いた実験を通じて、この遺伝子キットを調査することができると提案しています。 そのような遺伝子の1つ（ヒトとチンパンジーに特有の遺伝子）は、神経芽腫のマウスモデルにおけるがんの進行に関連している16。 また、ヒトパピローマウイルスのがんを引き起こすバージョンには、がんを引き起こさないバージョンには存在しない遺伝子が含まれています17 。 「デノボ遺伝子は依然として謎に包まれていますが、その存在は、進化は無から有を生み出すことができるということを、ひとつだけ明らかにしています。 「デノボ遺伝子を扱うことの素晴らしさの1つは、ゲノムがいかにダイナミックであるかを示していることです」と、カソラ氏は言います。