適応的突然変異

適応的突然変異は、定方向突然変異または定方向突然変異誘発とも呼ばれ、議論の多い進化論です。適応的突然変異、つまり遺伝子の変化は、従来の進化よりもはるかにランダムではなく、より意図的なものであり、生物は特定の遺伝子またはゲノムの領域に突然変異を誘導することで環境ストレスに対応できると仮定しています。少なくとも微生物においては、適応的突然変異の考えを支持（または反証）しようとするさまざまな実験が行われてきました。

最も広く受け入れられている進化論は、生物は自然選択によって変化し、突然変異によって引き起こされる変化が繁殖成功の可能性を高めるとしている。適応突然変異は、突然変異や進化はランダムではなく、特定のストレスに反応して起こるとしている。言い換えれば、発生する突然変異はランダムで特定の何かに対する反応ではなく、特定のストレスに対してより有益で特異的である。ストレスという用語は、温度、栄養素、個体数など、環境のあらゆる変化を指す。微生物のテストでは、適応突然変異の場合、特定のストレス後に観察された突然変異の多くは、偶然だけで考えられるよりもストレスに対処するのに効果的であることが判明している。^{[1] [2]}この適応突然変異の理論は、1980年代にジョン・ケアンズによって初めて学術的に注目された。^[3]

適応突然変異は議論の多い主張であり、この考えを検証するために設計された一連の実験につながっています。3つの主要な実験は、SOS応答、^[4]大腸菌の飢餓に対する応答、^[5]サッカロミセス・セレビシエ（酵母）のトリプトファン 要求性変異体の復帰変異体のテストです。^[1]

大腸菌株 FC40 は突然変異率が高いため、適応突然変異などの研究に有用です。FC40は、DNA が異なるものをコードするように配列が変化するフレームシフト突然変異により、ラクトースを処理できません。ラクトースを多く含む培地に置くと、細胞の 20% が Lac- (ラクトースを処理できない) から Lac+ に突然変異し、環境中のラクトースを利用できるようになったことがわかりました。ストレスに対する反応は現在の DNA には反映されていませんが、DNA 複製中に組み換えと複製プロセス自体によって変化が起こります。つまり、適応突然変異は現在の細菌で発生し、細菌の遺伝コードの一部となるため、次世代に受け継がれることになります。^[5]これはケアンズの研究で特に明らかで、大腸菌を乳糖が最小限の培地に戻した後でも、以前の環境への反応として Lac+ 変異体が引き続き生成されたことが実証されています。^[1]適応変異が働いていなければ、これは不可能です。なぜなら、自然選択は新しい環境でこの変異を好まないからです。適応変異に関与する遺伝子は多数ありますが、タンパク質の RecG が適応変異に影響を及ぼすことがわかりました。RecG 自体は、必ずしも変異表現型につながるわけではありません。しかし、野生型細胞で復帰突然変異体 (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っています。一方、RecG 変異体は、乳糖を利用する能力など、SOS 応答実験で研究された主要な部分である RecA 依存性変異の発現の鍵でした。^[6]

適応突然変異は、ラクトース代謝能力を欠く大腸菌を研究していたジョン・ケアンズによって1988年に再提唱された^[7]。彼はラクトース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た。その際、細菌がラクトース代謝能力を進化させる速度は、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桁違いに速いことを発見した。これがきっかけで、彼は発生した突然変異はラクトース利用に関与する遺伝子に向けられたものであると提唱した^{[8] 。}

この仮説は、当時アルバータ大学にいたスーザン・ローゼンバーグによって後に支持され、彼女は、 DNA組み換え修復に関与する酵素recBCDが、1989年にケアンズとその同僚によって観察された誘導突然変異誘発に必要であることを発見した。誘導突然変異誘発仮説は、この現象が選択された遺伝子増幅とそれに続く自然選択による一般的な超変異性によるものであり、したがって標準的なダーウィンの過程であることを示す研究によって、2002年に異議を唱えられた。^{[9] [10]}しかし、2007年のその後の研究では、増幅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、単一のステップで発生する真の復帰突然変異体である」という結論に達した。^[11]

この実験は、他の実験とは小さな点で異なっています。他の実験では微生物がさらされる環境の変化をテストしたのに対し、この実験は適応的突然変異につながる経路に関係しています。大腸菌のSOS 応答は、修復しなければならない 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、突然変異誘発が始まる可能性があります。つまり、損傷を修復するために突然変異が発生します。この過剰突然変異、つまり変化率の増加応答には、何らかの制御プロセスが必要であり、このプロセスで重要な分子にはRecAとLexAがあります。これらはタンパク質であり、このプロセスやその他のプロセスの信号機として機能します。これらは、大腸菌の適応的突然変異の主な原因でもあるようです。どちらかの存在の変化が SOS 応答に影響を与えることが示され、それが今度は細胞がラクトースを処理する方法に影響を与えました。これはラクトース飢餓実験と混同しないようにする必要があります。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す。^[1]

フォン・ボルステルは 1970 年代に、乳糖飢餓実験に似た実験を酵母、具体的にはサッカロミセス・セレビシエで行った。彼はトリプトファン要求性復帰突然変異体をテストした。トリプトファン要求性細胞は自分でトリプトファンを作ることができないが、野生型細胞は作ることができるため、復帰突然変異体はトリプトファンを作れる通常の状態に戻る。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の培地に移すと、復帰突然変異体が数日間現れ続けることを発見した。酵母で観察された復帰突然変異体の程度は、細菌ほど高くはなかった。ヒスチジン復帰突然変異体をテストしたホールや、リジンをテストしたスティールとジンクス・ロバートソンなど、他の科学者も同様の実験を行った。これらの実験は、組換えとDNA 複製が適応的突然変異に必要であることを示している。しかし、リジンをテストした細胞では、組換えは選択がなくても起こり続けた。スティールとジンクス・ロバートソンは、組み換えは適応的であろうとなかろうとあらゆる状況で起こるが、突然変異は有益かつ適応的である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生成は細菌で観察されたほど活発ではなかったが、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の結果にさらに重みを加えている。SteeleとJinks-Robertson ^[12]は、染色体間組み換えイベントによるLYS原栄養体は分裂していない細胞でも発生し続けるが、この場合は選択の有無にかかわらず組み換え体の生成が継続することを発見した。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、組み換えは適応的であるかどうかにかかわらず発生した。

カンジダ・アルビカンスでは、変異体の出現が遅れることも報告されている。^[13]致死量以下の濃度の重金属に長時間さらされると、耐性細胞のコロニーが5～10日後に出現し始め、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るが、表現型は非選択的増殖の短期間では安定していた。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イベントのいずれも、課された選択に特異的であることはまだ示されていない。