進化発生生物学

進化発生生物学（非公式には進化発生学）は、さまざまな生物の発生過程を比較して、発生過程がどのように進化したかを推測する生物学研究の分野です。

この分野は、発生学が謎に直面した19世紀に始まった。動物学者は、胚の発達が分子レベルでどのように制御されているかを知らなかった。チャールズ・ダーウィンは、類似した胚を持つことは共通の祖先を意味すると指摘したが、1970年代までほとんど進歩はなかった。その後、組み換えDNA技術によって、ついに発生学と分子遺伝学が融合した。初期の重要な発見は、広範囲の真核生物の発達を制御するホメオティック遺伝子であった。

この分野は、複数の中核となる進化論的概念から成り立っています。1つは深い相同性で、昆虫、脊椎動物、頭足動物の眼など、長い間別々に進化したと考えられてきた異なる器官が、進化発生遺伝子ツールキットのpax-6などの類似の遺伝子によって制御されているという発見です。これらの遺伝子は古くから存在し、門間で高度に保存されています。これらの遺伝子は、胚を形作る時間と空間のパターンを生み出し、最終的には生物の体制を形成します。もう1つは、酵素をコードする遺伝子など、種によって構造遺伝子に大きな違いはないということです。異なるのは、ツールキット遺伝子によって遺伝子発現が制御される方法です。これらの遺伝子は、胚のさまざまな部分やさまざまな発達段階で何度も変更されることなく再利用され、複雑な制御カスケードを形成し、他の制御遺伝子や構造遺伝子を正確なパターンでオン/オフにします。この多重多面的再利用により、これらの遺伝子が高度に保存されている理由が説明されます。なぜなら、いかなる変化も、自然選択が反対する 多くの悪影響をもたらすからです。

新たな形態学的特徴、そして最終的には新たな種は、遺伝子が新たなパターンで発現するか、ツールキット遺伝子が追加機能を獲得するかのいずれかの形で、ツールキットの変化によって生み出される。もうひとつの可能性は、エピジェネティックな変化が後に遺伝子レベルで統合されるという新ラマルクの理論であり、これは多細胞生物の歴史の初期に重要だった可能性がある。

哲学者たちは、古代において動物が子宮の中でどのように形を獲得したかについて考え始めた。アリストテレスは、その著書『物理学』の中で、エンペドクレスによれば、秩序は発達中の胎児に「自然に」現れると主張している。彼は著書『動物の各部』の中で、エンペドクレスの理論は誤りであると主張している。アリストテレスの記述では、エンペドクレスは、胎児がねじれて脊柱をバラバラに折ってしまうため、脊柱が椎骨に分かれていると述べた。アリストテレスは、そのプロセスにはあらかじめ定められた目標があると主張している。つまり、胎児に成長する「種子」は、椎骨などの特定の身体部位になる「潜在能力」を最初から備えているのだ。さらに、動物の種類ごとに、その動物の種が生まれ、人間は人間の赤ちゃんしか産まない。^[1]

進化的発生の再現理論は、 1824年から1826年にかけてエティエンヌ・セールによって提唱され、1808年のヨハン・フリードリヒ・メッケルの考えを反映していた。彼らは、「高等」動物の胚は一連の段階を経るか再現し、各段階は偉大な存在の鎖の下位にある動物に似ていると主張した。たとえば、人間の胚の脳は最初は魚の脳のように見え、次に爬虫類、鳥、哺乳類の脳のようになり、最終的に明らかに人間になった。発生学者のカール・エルンスト・フォン・ベーアはこれに反対し、1828年に、偉大な存在の鎖のような単一のボディプランに基づく直線的なシーケンスはなく、構造が分化するエピジェネシスのプロセスがあると主張した。フォン・ベーアは代わりに、ヒトデのように放射状、ハマグリのように軟体動物のように、ロブスターのように関節のある、4つの異なる動物のボディプランを認識した。魚類などの脊椎動物でも同様に観察された。動物学者はその後、反復法をほとんど放棄したが、1866年にエルンスト・ヘッケルがそれを復活させた。 ^{[3] [ 4 ] [5] [6] [7]}

19世紀初頭から20世紀の大半にかけて、発生学は謎に直面していた。動物は卵から、多くの場合は類似した段階を経て、大きく異なる体型の成体へと成長することがわかっていたが、動物学者は胚発生が分子レベルでどのように制御されているかについてはほとんど何も知らず、したがって発生過程がどのように進化してきたかについても同様にほとんど知らなかった。^[8] チャールズ・ダーウィンは、胚の構造が共通していることは共通の祖先を意味すると主張した。例えば、ダーウィンは1859年の著書『種の起源』で、エビのようなフジツボの幼生を引用しているが、その固着成体は他の節足動物とは全く異なっており、リンネとキュビエはそれを軟体動物に分類していた。^{[9] [10]ダーウィンはまた、}アレクサンダー・コワレフスキーの発見にも注目し、尾索動物も軟体動物ではないが、幼生期には脊椎動物の同等の構造と同じ胚葉から発達した脊索と咽頭裂を持っており、したがって脊椎動物と一緒に脊索動物として分類されるべきであると述べた。^{[9] [11]}

19 世紀の動物学は、発生学を進化科学へと転換し、系統発生を胚の胚葉間の相同性と結び付けました。フリッツ ミュラーを含む動物学者は、発生学を利用して分類群間の系統関係を発見することを提案しました。ミュラーは、甲殻類がノープリウスの幼生を共有していることを実証し、甲殻類として認識されていなかった寄生種をいくつか特定しました。ミュラーはまた、自然選択は成体と同様に幼生にも作用するはずであると認識し、幼生形態を自然選択から保護する必要があるという反復説を否定しました。^[9]ヘッケルの発達の進化に関する他の2つの考えは、要約よりもうまくいきました。彼は1870年代に、胚発生のタイミングの変化（異時性）と体内の位置の変化（異所性）が、子孫の体の形を祖先と比較して変化させることで進化を促進すると主張しました。これらの考えが正しいことが証明されるまでに1世紀かかりました。^{[12] [13] [14]}

1917年、ダーシー・トンプソンは動物の形状に関する本を執筆し、腹足類の螺旋殻の角度などのパラメータの小さな変化が動物の形状を根本的に変える可能性があることを簡単な数学で示したが、彼は進化論的説明よりも機械的な説明を好んだ。^{[15] [16]}しかし分子論的証拠がないために進歩は停滞した。^[9]

1952年、アラン・チューリングは動物の体のパターンの発達に関する論文「形態形成の化学的基礎」を発表しました。彼は、形態形成は反応拡散システム、つまり体内を拡散できる反応化学物質のシステムによって説明できると示唆しました。 ^[17]彼は偏微分方程式を使用して触媒化学反応をモデル化し、化学反応によって触媒(A) とA の生成を遅らせる阻害剤(B) の両方が生成されるとパターンが出現することを示しました。その後、A と B が異なる速度で拡散すると、ある場所では A が優勢になり、他の場所では B が優勢になります。ロシアの生化学者ボリス・ベロウソフも同様の結果を得た実験を行っていましたが、当時の科学者は目に見える秩序を作り出すことは熱力学の第二法則に違反すると考えていたため、それを発表できませんでした。^[18]

20世紀初頭のいわゆる現代総合において、ロナルド・フィッシャーは、自然選択、遺伝、変異を主張するダーウィンの進化論と、グレゴール・メンデルの遺伝法則を、進化生物学の一貫した構造に統合した。生物学者は、生物は、その構成遺伝子、すなわち生物の体を構成するタンパク質をコードする遺伝子の直接的な反映であると想定していた。生化学的経路（そして、彼らが想定した新しい種）は、これらの遺伝子の変異を通じて進化した。これは単純明快で、ほぼ包括的な図式であったが、発生学を説明するものではなかった。^{[9] [19]}ショーン・B・キャロルは、進化発生学の洞察が得られていれば、発生学は間違いなく総合において中心的な役割を果たしていただろうとコメントしている。^[20]

進化発生学者ギャビン・デ・ビアは、1930年の著書『胚と祖先^{』[21]で、進化は}異時性によって起こり得ることを示し、例えば、^成体において幼少期の特徴が保持されることを示し、進化発生生物学の先駆けとなった。^{[12]デ・ビアは、胚は化石化しにくいため、これが}化石記録に突然の変化をもたらす可能性があると主張した。化石記録の欠落はダーウィンの漸進的進化論に対する反論として使われていたため、デ・ビアの説明はダーウィンの立場を支持するものだった。^[23]しかし、デ・ビアにもかかわらず、現代の統合では、生物の形態を説明するために胚発生をほとんど無視していた。なぜなら、形態がどのように進化したかを説明するには集団遺伝学が適切であるように思われたからである。^{[24] [25] [a]}

1961年、ジャック・モノ、ジャン＝ピエール・シャンジュ、フランソワ・ジャコブは大腸菌のlacオペロンを発見した。これはフィードバック制御ループに配置された遺伝子の塊で、環境刺激によって「スイッチが入った」ときのみ産物が作られる。これらの産物の1つは糖であるラクトースを分解する酵素であり、ラクトース自体が遺伝子をスイッチオンする刺激だった。これは、細菌のように小さな生物であっても遺伝子が精密に制御されていることを初めて示したため、大きな発見であった。これは、他の多くの遺伝子も精巧に制御されていることを示唆していた。^[27]

1977年、遺伝学における組み換えDNA技術の登場、スティーブン・J・グールドの著書「個体発生と系統発生」、フランソワ・ジャコブの論文「進化といじくり回し」^[28]により、進化と発生生物学に関する考え方に革命が始まった。グールドはヘッケルの進化発生学の解釈に終止符を打ち、ジャコブは別の理論を提示した。^{[9]これにより}第二の統合 が生まれ、^{[29] [30]}ついに発生学に加えて分子遺伝学、系統発生、進化生物学が組み込まれ、進化発生学が形成された。^{[31] [32]} 1978年、エドワード・B・ルイスはショウジョウバエの胚発生を制御するホメオティック遺伝子を発見した。ショウジョウバエは他の昆虫と同様に節足動物で、無脊椎動物の主要な門の1つである。 ^[33]ビル・マッギニスは、他の門の動物、カエル、鳥、哺乳類などの脊椎動物でホメオティック遺伝子配列、ホメオボックスをすぐに発見しました。これらは後に酵母などの菌類や植物でも発見されました。^{[34] [35]}すべての真核生物にわたって発達を制御する遺伝子には明らかに強い類似性がありました。^[36] 1980年に、クリスティアーネ・ニュスライン＝フォルハルトとエリック・ヴィーシャウスは、ショウジョウバエの胚の分節パターンを作成するのに役立つギャップ遺伝子を説明しました。^{[37] [38]}彼らとルイスは1995年にその研究でノーベル賞を受賞しました。 ^{[34] [39]}

その後、より具体的な類似点が発見された。例えば、 1989年にDistal-less遺伝子はショウジョウバエの付属肢や四肢、^[40]魚のひれ、ニワトリの羽、海洋環形動物の側足、ホヤの膨大部と管管、ウニの管足の発達に関与していることがわかった。この遺伝子が古代のもので、左右相称動物の最後の共通祖先（約6億3500万年前に始まったエディアカラ紀以前）にまで遡ることは明らかだった。進化発生学は、すべての動物の体が発達中に構築される方法を明らかにし始めた。^{[41] [42]}

さまざまな動物のほぼ球形の卵は、クラゲからロブスター、蝶からゾウまで、それぞれ独特の形態を呈する。これらの生物の多くは、コラーゲンや酵素などの体を作るタンパク質の構造遺伝子を共有しているが、生物学者は、動物のグループごとに独自の発達ルールがあるだろうと予想していた。進化発生学の驚くべき点は、体の形がごくわずかな割合の遺伝子によって制御されていること、そしてこれらの制御遺伝子が古くからあり、すべての動物に共通しているということである。キリンには長い首の遺伝子はなく、ゾウには大きな体の遺伝子がない。ゾウの体は、さまざまな特徴の発達が早く始まったり遅く始まったり、胚のこの部分やあの部分で起こったり、長く続いたり短く続いたりする切り替えシステムによってパターン化されている。^[8]

胚発生がどのように制御されているかという謎は、ショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）をモデル生物として用いて解明され始めました。胚発生の段階的な制御は、胚で発現した遺伝子によって作られた特定の種類のタンパク質にさまざまな色の蛍光染料を付着させることによって可視化されました。 ^[8]クラゲ由来の緑色蛍光タンパク質などの染料は、通常、ショウジョウバエのタンパク質に特異的な抗体に付着し、そのタンパク質が生きた胚のどこにいつ出現したかを正確に示す指標を形成しました。^[43]

1994年、ウォルター・ゲーリングは、このような技術を使って、ショウジョウバエの眼の形成に不可欠なpax-6遺伝子が、マウスやヒトの眼形成遺伝子と正確に一致することを発見した。同じ遺伝子は、イカなどの頭 足動物など、他の多くの動物群でもすぐに見つかった。エルンスト・マイヤーを含む生物学者は、眼の種類によって構造が大きく異なるため、動物界で眼が少なくとも40回は出現したと信じていた。^[8]たとえば、ショウジョウバエの複眼は、数百の小さなレンズ構造（個眼）でできている。ヒトの眼には、視神経が眼に入る部分に盲点があり、神経線維は網膜の表面を走っているため、光は網膜の検出細胞に到達する前に神経線維の層を通過する必要があり、構造は事実上「逆さま」になっている。対照的に、頭足動物の眼は網膜、神経繊維の層、そして眼壁が「正しい順序」で並んでいる。^{[44]しかし、} pax-6の証拠は、同じ遺伝子がこれらすべての動物の眼の発達を制御していたことを示し、これらはすべて共通の祖先から進化したことを示唆している。^[8]古代の遺伝子は、数百万年にわたる進化を通じて保存され、類似の機能を持つ異なる構造を作り出しており、かつては純粋に類似していると考えられていた構造の間に深い相同性があることを示している。 ^{[45] [46]この概念は後に}胚発生の進化にまで拡張され^[47]、進化生物学における相同性の意味の根本的な見直しを引き起こした。^{[45] [46] [20]}

生物のゲノム内の遺伝子のごく一部が、生物の発生を制御している。これらの遺伝子は発生遺伝ツールキットと呼ばれている。これらは門間で高度に保存されており、つまり古くから存在し、遠く離れた動物のグループ間で非常によく似ている。ツールキット遺伝子の配置の違いは、ボディプランや、体の部位の数、性質、パターンに影響を及ぼします。ほとんどのツールキット遺伝子はシグナル伝達経路の一部であり、転写因子、細胞接着タンパク質、細胞表面受容体タンパク質とそれらに結合するシグナル伝達リガンド、胚を通じて拡散する分泌モルフォゲンをコードしています。これらすべてが、胚内の未分化細胞の運命を決定するのに役立ちます。これらが一緒になって、胚を形成する時間と空間のパターンを生成し、最終的に生物のボディプランを形成します。最も重要なツールキット遺伝子の1つがHox遺伝子です。これらの転写因子 には、他のツールキット遺伝子にも見られるホメオボックスタンパク質結合DNAモチーフが含まれており、体の前後軸に沿って基本的なパターンを形成します。^{[20] Hox遺伝子は、}ヘビの多くの椎骨などの繰り返し部分が、発生中の胚または幼生でどこで成長するかを決定します。^{[8]すでに述べた}Pax-6は、古典的なツールキット遺伝子です。^{[48]他のツールキット遺伝子は植物の}ボディプランの確立に関与していますが、^[49]ホメオボックス遺伝子も植物に見られ、すべての真核生物に共通していることを意味しています。^{[50] [51] [52]}

調節ツールキットのタンパク質産物は、複製や修正によってではなく、複雑なモザイク状の多面的機能によって再利用され、多くの独立した発達過程において変化なく適用され、多くの異なる身体構造にパターンを与える。^[20]これらの多面的機能ツールキット遺伝子の座位には、大きくて複雑なモジュール式のシス調節要素がある。例えば、ショウジョウバエの非多面的ロドプシン遺伝子には数百塩基対の長さのシス調節要素があるが、多面的機能を持つ無眼のシス調節領域には、7000塩基対を超える6つのシス調節要素が含まれている。^{[20]関与する}調節ネットワークは、多くの場合非常に大きい。各調節タンパク質は、「数十から数百」のシス調節要素を制御します。例えば、ショウジョウバエの67の転写因子は、それぞれ平均124の標的遺伝子を制御していた。^[20]この複雑さのおかげで、胚の発達に関わる遺伝子は、正確なタイミングと場所でオンとオフを切り替えることができます。これらの遺伝子の中には、胚の酵素、組織、器官を直接形成する構造遺伝子もあります。しかし、他の多くの遺伝子はそれ自体が調節遺伝子であるため、オンにされるのは、発達中の胚における発達プロセスを次々とオンにすることを含む、正確なタイミングでのカスケード的な切り替えであることが多いのです。^[20]

このようなカスケード制御ネットワークは、ショウジョウバエの胚の発生において詳細に研究されている。若い胚はラグビーボールのような楕円形をしている。少数の遺伝子がメッセンジャーRNAを生成し、胚の長軸に沿って濃度勾配を設定する。初期の胚では、bicoid遺伝子とhunchback遺伝子は前端付近で高濃度にあり、将来の頭部と胸郭のパターンを与える。caudal遺伝子とnanos遺伝子は後端付近で高濃度にあり、最後尾の腹部節のパターンを与える。これらの遺伝子の効果は相互作用する。たとえば、Bicoidタンパク質はcaudalのメッセンジャーRNAの翻訳を阻害するため、前端でのCaudalタンパク質濃度は低くなる。その後、caudalはハエの最後尾の節を作る遺伝子をオンにするが、最も集中している後端でのみオンになる。^{[53] [54]}

Bicoid、Hunchback、Caudalタンパク質は、縞模様のgiant、knirps、Krüppel、taillessなどのギャップ遺伝子の転写を制御し、体節となる最初のレベルの構造を作ります。 ^[37]これらのタンパク質は、次にペアルール遺伝子を制御し、次の段階で胚の長軸を横切る7つのバンドを設定します。最後に、 engrailedなどの体節極性遺伝子が7つのバンドをそれぞれ2つに分割し、14の将来の体節を作成します。^{[53] [54]}

このプロセスはツールキット遺伝子配列の正確な保存を説明しています。この結果、異なる動物におけるツールキットタンパク質の深い相同性と機能的同等性がもたらされました（たとえば、マウスのタンパク質がショウジョウバエの発達を制御する場合に見られます）。転写因子とシス調節要素、またはシグナル伝達タンパク質と受容体の相互作用は、複数の使用を通じて固定され、ほぼすべての突然変異が有害となり、自然選択によって排除されます。^[20]

すべての動物の前後軸を設定するメカニズムは同じであり、共通の祖先を示唆している。左右相称動物の背腹軸にも同様のメカニズムがあるが、節足動物と脊椎動物では逆になっている。^[55]胚の胚葉形成という別のプロセスは、ミオシンII分子モーターによって駆動されるが、これは種を超えて保存されていない。このプロセスは環境中の海水の動きによって開始され、後に胚の組織運動の進化によって置き換えられた可能性がある。^{[56] [57]}

進化発生生物学における最近の研究で、最も意外で、おそらく直観に反する（新ダーウィン主義の観点から）結果の一つは、多くの門にわたる生物の体制と形態の多様性が、発生遺伝子ツールキットやその他の発生に関わる遺伝子を含む遺伝子配列レベルでの多様性に必ずしも反映されていないということである。実際、ジョン・ゲルハートとマーク・カーシュナーが指摘したように、そこには明らかな矛盾がある。「最も変異が見つかると予想されるところで、変化がなく保存されている」のだ。^[58]では、異なる系統間で観察される形態学的新規性が遺伝子配列の変化（突然変異など）によるものではないとしたら、それはどこから来るのだろうか？ 新規性は、突然変異によって引き起こされる遺伝子調節の変化によって生じる可能性がある。^{[20] [59] [60] [61]}

ツールキットの変異は、動物の形態学的進化の大部分を生み出した可能性がある。ツールキットは2つの方法で進化を促進できる。ツールキット遺伝子は、ダーウィンの大型地上フィンチのくちばしがBMP遺伝子によって拡大されたときのように、異なるパターンで発現することがある^[62]。または、他の爬虫類が手足を形成し続けた場所でdistal-lessが低発現または全く発現しなくなったためにヘビが足を失ったときのように。^[63]あるいは、ツールキット遺伝子が新しい機能を獲得することもあり、これは同じ遺伝子distal-lessの多くの機能に見られるように、脊椎動物の下顎^{[64] 、 [65]、}ショウジョウバエの脚と触角^[66]、蝶の羽の眼点パターン[ ^67]など、多様な構造を制御している。ツールボックス遺伝子の小さな変化が体の構造に大きな変化を引き起こす可能性があることを考えると、それらはしばしば同じ機能を収束的または並行して可能にしてきた。遠位型遺伝子は、ミュラー型擬態種であるHeliconius eratoとHeliconius melpomeneの羽の模様を生み出す。いわゆる促進変異において、^[68]これらの羽の模様は異なる進化イベントで生じたが、同じ遺伝子によって制御されている。^{[69]発生的変化は}種分化に直接寄与することがある。^[70]

進化的革新は、時にはラマルク流に、遺伝子調節や表現型生成のエピジェネティックな変化から始まり、その後遺伝子レベルでの変化によって強化されることがある。エピジェネティックな変化には、可逆的なメチル化によるDNAの修飾^[71]や、発達メカニズムの固有の可塑性による物理的およびその他の環境的影響による生物の非プログラム的な再形成が含まれる。^[72]生物学者のスチュアート・A・ニューマンとゲルト・B・ミュラーは、多細胞生物の歴史の初期の生物は、現代の生物よりもこの2番目のカテゴリーのエピジェネティックな決定の影響を受けやすく、初期の大進化の変化の基礎を提供していると示唆している。^[73]

特定の系統における発達は、特定の軌道や表現型に向かう肯定的な偏り^[b]と、特定の種類の変化を生み出さない否定的な偏りのいずれかになる可能性があり、絶対的 (変化は常に生じるか、まったく生じない) または相対的である可能性があります。しかし、進化におけるそのような方向性の証拠を得ることは難しく、多様化を制限する発達上の制約によっても生じる可能性があります。^[75]たとえば、腹足類では、カタツムリ型の殻は常に長さと直径の両方が成長する管として構築されます。これらの制約内での選択により、平らな螺旋、タカラガイ、背の高い砲塔螺旋など、さまざまな殻の形状が生み出されました。ムカデ類のうち、岩生類は成虫になると常に15の体節を持ちますが、これはおそらく、奇数個の体節に向かう発達上の偏りの結果です。ムカデ目のもう一つの分類であるムカデ目では、節の数は種によって27から191まで異なるが、その数は常に奇数であり、これが絶対的な制約となっている。その範囲内の奇数はほぼすべて、何らかの種によって占められている。^{[74] [76] [77]}

生態学的進化発生生物学^[c]は、発生生物学と生態学の研究を統合し、進化論との関係を検証する。^{[78]研究者は、}発生の可塑性、エピジェネティックな遺伝、遺伝的同化、ニッチ構築、共生などの概念とメカニズムを研究する。^{[79] [80]}

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• 細胞シグナル伝達
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• 植物進化発生生物学
• 再現理論

• グールド、スティーブン・ジェイ（1977年）。個体発生と系統発生。マサチューセッツ州ケンブリッジ：ハーバード大学出版局ベルナップ・プレス。ISBN 978-0-674-63940-9. LCCN  76045765. OCLC  2508336.
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