全生物の共通祖先「コモノート」は75℃以上の超好熱菌だった? - 東京薬科大

東京薬科大学は6月18日、進化系統解析と遺伝子工学によって復元した祖先タンパク質の耐熱性を調べ、「コモノート」と名付けられた地球における全生物共通の祖先生物は75℃以上の高温環境で生息していた「好熱菌」であったことを示す実験的な証拠を得ることに成功したと発表した。

成果は、東薬大の山岸明彦教授、同・赤沼哲史助教、同・横堀伸一講師らの研究チームによるもの。研究の詳細な内容は、6月17日付けで米科学雑誌「米科学アカデミー紀要(PNAS)」オンライン版に掲載された。

地球上の全生物は、大まかに共通の遺伝の仕組み、タンパク質を作る仕組み、そして共通の代謝の仕組みを持つ。こうしたことから、地球上の全生物は1つの共通祖先生物、あるいは、少なくとも1つの種から進化してきたのではないかと、現時点では考えられている。

生命の起源を研究する研究者たちは、全生物共通祖先についての理解を深めるため、特に全生物共通の祖先生物が生息していた環境温度に着目して研究を進めてきた。これらの研究では、主として祖先生物が持っていたタンパク質合成に関わるRNAの塩基組成、あるいは、祖先生物が持っていたタンパク質のアミノ酸組成を計算し、生育温度を推定している。

しかし、塩基組成、アミノ酸組成を計算する方法や、計算に用いたデータセットの違いによって、全生物共通祖先は常(低)温菌であったとする説と、好熱菌(50℃以上の高温で生育)であったとする説の両方の結論が得られており、統一的な結論が出されていなかった。さらに、全生物共通祖先が生息していた環境温度を実験データに基づいて推定した例もない。そこで研究チームは、祖先生物が持っていたと思われるタンパク質のアミノ酸配列を推定し、そのアミノ酸配列を持つタンパク質を実際に復元して解析することという手法でアプローチしたのである。

地球上の全生物をタンパク質合成に関わる塩基配列の類似性に基づいて分類すると、真正細菌、古細菌、真核生物(いうまでもなくヒトはここに含まれる)という3種類のドメインに分けることが可能だ。それぞれのドメインは単系統群となり、それぞれのドメインに属するすべての生物種は、それぞれのドメインにおける共通祖先から進化したとされている。

「ヌクレオシド二リン酸キナーゼ(NDK)」は、その真正細菌、古細菌、真核生物のほとんどの生物が持つタンパク質だ。また、「最後の共通祖先(the Last Universal Common Ancestor:LUCA)」とも呼ばれるコモノートも持っていた考えられている。そしてNDKの変性温度が調べられたところ、そのNDKを持つ生物の至適生育温度と正の相関関係があることがわかった(画像1)。従って、祖先生物が持っていたNDKを復元し、その変性温度を調べることによって、祖先生物の生育温度を実験的に推定することができるというわけだ。

そこで研究チームは、現存生物種が持つNDKのアミノ酸配列を比較することによって3種類の進化系統樹を作成し(画像2〜4)、それぞれの進化系統樹における根元付近の古細菌祖先に相当する祖先型NDKのアミノ酸配列(Arc3〜5)と真正細菌祖先に相当するアミノ酸配列(Bac3〜5)を推定した。

次に推定されたアミノ酸配列をコードする遺伝子を遺伝子工学的手法により合成し、大腸菌内で発現させ、祖先型NDKを精製した。祖先型NDKの変性 温度を解析したところ、すべての祖先型NDKは100℃以上まで変性しない高い耐熱性を持つタンパク質であることが明らかとなった(画像5)。

さらに、画像1の検量線を用いて、真正細菌祖先生物と古細菌祖先生物の生育温度を推定したところ、古細菌祖先生物は92〜97℃、真正細菌祖先は84〜94℃で生育していたことが推定された。