適応変異

大腸菌株FC40は変異率が高いため、適応変異などの研究に有用です。フレームシフト変異（DNA配列の変化により、異なる遺伝子をコードするようになる変異）のため、FC40はラクトースを処理できません。ラクトースを豊富に含む培地に入れると、細胞の20%がLac-（ラクトースを処理できない）からLac+に変異し、環境中のラクトースを利用できるようになることがわかりました。ストレスに対する応答は現在のDNAには含まれていませんが、DNA複製中に組換えと複製プロセス自体によって変化が生じます。つまり、適応変異は現在の細菌で発生し、変異が細菌の遺伝暗号の一部となるため、次世代に受け継がれることになります。^{[ 5 ]}これは、Cairns の研究で特に明らかで、大腸菌を最小限のラクトースを含む培地に戻した後でも、以前の環境への応答として Lac+ 変異体が引き続き産生されることが実証されました。^{[ 1 ]}適応変異が働いていなければ、自然選択が新しい環境でこの変異を有利にしないため、これは不可能です。適応変異に関与する遺伝子は多数ありますが、タンパク質である RecG が適応変異に影響を与えることがわかっています。RecG 自体は、必ずしも変異表現型につながるわけではないことがわかりました。しかし、野生型細胞では復帰変異体 (研究対象の変異を持つ細胞とは対照的に、正常に見える細胞) の出現を阻害することがわかりました。一方、RecG 変異体は、SOS 応答実験で研究された主要な部分である、ラクトースを利用する能力などの RecA 依存性変異の発現に重要でした。^{[ 6 ]}

適応突然変異は、1988年にジョン・ケアンズによって再提唱されました^{[ 7 ]。}彼は乳糖を代謝する能力を欠く大腸菌を研究していました。彼は乳糖が唯一のエネルギー源である培地でこれらの細菌を培養しました。その過程で、細菌が乳糖を代謝する能力を獲得する速度は、突然変異が本当にランダムである場合に予想される速度よりも何桁も高いことを発見しました。このことから、彼は起こった突然変異が乳糖利用に関わる遺伝子に向けられたものであると提唱しました^{[ 8 ] 。}

この仮説を裏付ける証拠は、当時アルバータ大学に在籍していたスーザン・ローゼンバーグによってもたらされた。彼女は、 DNA組換え修復に関与する酵素recBCDが、1989年にケアンズらが観察した指向性突然変異に必要であることを発見した。指向性突然変異仮説は、2002年に、この現象は選択された遺伝子増幅による一般的な超突然変異性とそれに続く自然選択によるものであり、したがって標準的なダーウィン的プロセスであることを示す研究によって異議を唱えられた。^{[ 9 ] [ 10 ]}しかし、2007年の後の研究では、増幅では適応突然変異を説明できず、「ラクトース選択の最初の数日間に現れる突然変異体は、単一のステップで生じる真の復帰変異体である」と結論付けられた。^{[ 11 ]}

この実験は、他の実験とは少し異なる点があります。それは、この実験が適応変異に至る経路に関心を持っているのに対し、他の実験では微生物がさらされる環境の変化を調べていたことです。大腸菌のSOS応答は、修復が必要なDNA損傷に対する応答です。通常の細胞周期は一時停止され、突然変異が始まる可能性があります。これは、損傷を修復しようとして突然変異が起こることを意味します。この超突然変異、つまり変化率の増加した応答には、何らかの制御プロセスが必要であり、このプロセスにおける重要な分子としてRecAとLexAがあります。これらはタンパク質であり、このプロセスや他のプロセスの信号機として機能します。また、これらは大腸菌の適応変異の主な要因でもあるようです。どちらか一方の存在の変化がSOS応答に影響を与え、それが細胞がラクトースを処理する方法に影響を与えたことが示されています。これは、ラクトース飢餓実験と混同してはいけません。ここで理解すべき重要な点は、適応変異が起こるためにはLexAとRecAの両方が必要であり、SOS応答がなければ適応変異は不可能であるということである。^{[ 1 ]}

フォン・ボルステルは1970年代に、酵母、特にサッカロミセス・セレビシエを用いて、乳糖飢餓実験と同様の実験を行った。彼はトリプトファン要求性復帰変異体を調べた。トリプトファン要求性変異体は自身でトリプトファンを合成できないが、野生型細胞は合成できるため、復帰変異体はトリプトファンを合成できる正常な状態に戻る。彼は、酵母コロニーをトリプトファンが豊富な培地から最小培地に移すと、数日間復帰変異体が出現し続けることを発見した。酵母で観察された復帰変異体の程度は、細菌の場合ほど高くはなかった。他の科学者も、ヒスチジン復帰変異体を調べたホールや、リジンを調べたスティールとジンクス・ロバートソンなど、同様の実験を行っている。これらの実験は、適応突然変異には組換えとDNA複製が必要であることを示している。しかし、リジンを調べた細胞では、選択圧がなくても組換えが継続して起こった。スティールとジンクス・ロバートソンは、組換えは適応的か否かを問わずあらゆる状況で起こるが、突然変異は有益かつ適応的な場合にのみ存在すると結論付けた。^{[ 1 ]}

選択中の突然変異の発生は細菌で観察されたほど活発ではなかったものの、これらの研究は説得力がある。前述のように、その後の研究はlys2の結果をさらに裏付けている。SteeleとJinks-Robertson ^{[ 12 ]}は、染色体間組換え事象によるLYSプロトトロフが非分裂細胞でも発生し続けることを発見したが、この場合、組換え体の生成は選択の有無にかかわらず継続した。したがって、突然変異は適応的である場合にのみ定常期に発生したが、組換えは適応的であるか否かにかかわらず発生した。

カンジダ・アルビカンスでも変異体の出現が遅れることが報告されている。^{[ 13 ]}亜致死濃度の重金属に長時間曝露すると、耐性細胞のコロニーが5～10日後に現れ始め、その後1～2週間出現し続けた。これらの耐性は遺伝子増幅の結果である可能性があり、表現型は短期間の非選択的増殖の間安定していた。しかし、2つの栄養要求性の復帰変異体も同様の速度で出現した。カンジダ・アルビカンスにおけるこれらの事象はいずれも、課せられた選択に特異的であるとは、今のところ示されていない。