ゲノム縮小の原因は一つではない

比較ゲノム研究により、細菌と古細菌のゲノムサイズは、同じ進化規則だけでは説明しにくいことが示された。PNASに発表された今回の研究では、細菌では概してゲノムが大きいほど選択制約が強かった一方、解析対象となった古細菌のクラスターでは逆の関係が観察された。研究チームは、それぞれ機能の多様化とゲノムの簡素化に整合するパターンと解釈した。

原核生物のゲノム進化には複数の力が働く。簡素化を促す選択は小さなゲノムの維持につながり、機能の多様化を促す選択は遺伝子や機能の拡大を支えうる。水平遺伝子伝播は、機能拡張に必要な遺伝子を獲得する経路となる。しかし、ゲノムが小さいからといって、常に強い簡素化選択の結果とは限らない。有効集団サイズの小さい宿主関連微生物では選択の効率が低下し、遺伝的浮動と遺伝子欠失が重なってゲノムが縮小することもある。

従来の研究は主にゲノムペアの比較や、複数系統の値の平均に依存していた。そのため、系統間の違いと遺伝子ごとに働く制約を十分に区別するのは難しかった。

791のゲノムクラスターで明らかになった系統ごとの差

研究チームは、2万2,000以上のゲノムを含む近縁ゲノムクラスターのデータベースATGCから解析を始めた。変異数などの品質基準を適用した最終解析対象は、細菌772、古細菌19の計791クラスターだった。これは種の数ではなく、互いに近縁なゲノムをまとめたクラスターの数である。

選択制約は、非同義置換率を同義置換率で割ったdN/dSに基づいて推定した。非同義置換はタンパク質のアミノ酸を変え、同義置換は変えない塩基置換を指す。研究チームは系統関係を考慮してこの比を算出し、系統ごと・遺伝子ごとの成分に分解した。解析に用いた系統レベルの選択制約指標はdN/dSと逆方向に変化するため、値が大きいほど選択制約が強い。

細菌では、ゲノムサイズと選択制約のスピアマン相関係数は0.28だった。ゲノムが大きいほど、幅広い機能を維持する選択が強いという解釈と整合する。一方、古細菌19クラスターをまとめた相関係数は−0.82で、小さなゲノムほど選択制約が強い、簡素化に合致するパターンを示した。細菌クラスターを毎回19個ずつ抽出する再サンプリングを1万回行ったところ、古細菌ほど強い負の相関は得られなかった。

細菌の中も一様ではなかった。一部の分類群では有意な関係がなく、バシラス目では簡素化と整合する負の相関が観察された。細菌全体の傾向をすべての細菌系統に当てはめることはできない。

系統ごとの差を生む原因は今後の課題

今回の結果は、ゲノムサイズと選択制約の関係が系統によって異なることを示す根拠となる。ただし、環境との因果関係を実験で明らかにした研究ではない。細菌で見られた正の相関には、機能の多様化だけでなく、有効集団サイズが小さい場合に弱い選択と遺伝的浮動がゲノム縮小を促す過程も寄与しうる。

研究チームは、多様な生態的機会を利用する微生物と、安定した環境または資源の限られた環境に特化した微生物の違いを、考えられる説明として挙げた。これは著者らの仮説であり、細菌と古細菌の対照を生む原因はまだ解明されていない。再サンプリング解析は、標本数の違いだけでは結果を説明しにくいことを示す根拠を提供したが、古細菌の解析が19クラスターに限られる点も考慮する必要がある。

今後は、より多様な系統と生態条件でこの関係が保たれるかを検証する必要がある。解析方法、結果、解釈の根拠はPNAS論文の公開全文で確認できる。