ホロゲノム進化論

多細胞生物の生命は、物理的にも時間的にも異なるプロセスが協調的に作用することによって可能になるが、その中でも特に重要なのはホルモンである。ホルモンは、脊椎動物の発生、体細胞および生殖生理、性発達、運動能力、行動など、重要な活動を媒介する。

これらのホルモンの多く（ほとんどのステロイドやチロキシンを含む）は、不活性な形で内分泌系およびアポクリン系を介して、腸、尿路、肺、皮膚など、微生物叢が広く分布し多様な上皮経路に分泌されます。そこで、不活性ホルモンはグルクロン酸または硫酸残基の切断によって再活性化され、再吸収されます。したがって、多くのホルモンの濃度と生物学的利用能は、多様な酵素能力を持つ微生物集団によって決定される抱合中間体の微生物による切断によって影響を受けます。腸肝循環の側面は数十年前から知られていましたが、代謝物や異物の解毒と排泄の副次的効果とみなされており、避妊薬製剤を含む医薬品の寿命への影響も考慮されていませんでした。

The basic premise of Jefferson's first exposition of the hologenome theory is that a spectrum of hormones can be re-activated and resorbed from epithelia, potentially modulating effective time and dose relationships of many vertebrate hormones. The ability to alter and modulate, amplify and suppress, disseminate and recruit new capabilities as microbially-encoded 'traits' means that sampling, sensing and responding to the environment become intrinsic features and emergent capabilities of the holobiont, with mechanisms that can provide rapid, sensitive, nuanced and persistent performance changes.

Studies by Froebe et al.^[18] in 1990 indicating that essential mating pheromones, including androstenols, required activation by skin-associated microbial glucuronidases and sulfatases. In the absence of microbial populations in the skin, no detectable aromatic pheromone was released, as the pro-pheromone remained water-soluble and non-volatile. This effectively meant that the microbes in the skin were essential to produce a mating signal.^[19]

Subsequent re-articulation describing the hologenome theory by Rosenberg and Zilber-Rosenberg, published 13 years after Jefferson's definition of the theory, was based on their observations of corals, and the coral probiotic hypothesis.

Coral reefs are the largest structures created by living organisms, and contain abundant and highly complex microbial communities. A coral "head" is a colony of genetically identical polyps, which secrete an exoskeleton near the base. Depending on the species, the exoskeleton may be hard, based on calcium carbonate, or soft and proteinaceous. Over many generations, the colony creates a large skeleton that is characteristic of the species. Diverse forms of life take up residence in a coral colony, including photosynthetic algae such as Symbiodinium, as well as a wide range of bacteria including nitrogen fixers,^[20] and chitin decomposers,^[21] all of which form an important part of coral nutrition.^[22] The association between coral and its microbiota is species dependent, and different bacterial populations are found in mucus, skeleton and tissue from the same coral fragment.^[23]

過去数十年にわたり、サンゴの個体数は大幅に減少している。気候変動、水質汚染、乱獲は、サンゴの病気感受性を高める要因として挙げられている3つのストレス要因である。20種類以上のサンゴ病が報告されているが、そのうち原因物質が分離・特定されているのはごくわずかである。

サンゴの白化は、これらの病気の中で最も深刻なものです。地中海では、Oculina patagonicaの白化が 1994 年に初めて報告され、コッホの原則を厳密に適用した結果、 Vibrio shiloiの感染によるものであると判明しました。^{[ 24 ]} 1994 年から 2002 年にかけて、東地中海では毎年夏にO.  patagonicaの細菌性白化が発生しました。しかし驚くべきことに、2003 年以降、東地中海のO.  patagonica はV.  shiloi感染に対して耐性を持つようになりましたが、他の病気は依然として白化を引き起こしています。

驚きは、サンゴが数十年の寿命を持つ長寿であり、適応免疫系を持たないという知識から生じている。^{[ 25 ]}サンゴの先天性免疫系は抗体を産生せず、進化の時間スケール以外では新たな課題に対応できないはずである。しかし、複数の研究者が「経験による耐性」と呼ばれる可能性のある白化感受性の変動を記録している。^{[ 26 ] [ 27 ]}サンゴが特定の病原体に対する耐性をどのように獲得したかという謎から、ユージン・ローゼンバーグとイラナ・ジルバー・ローゼンバーグはサンゴプロバイオティクス仮説を提唱した。^{[ 23 ]}この仮説は、サンゴと共生微生物群集の間に動的な関係が存在することを提唱している。有益な突然変異は、宿主サンゴよりもはるかに速く共生微生物の間で発生し、広がる可能性がある。微生物組成を変化させることで、「ホロビオント」は、宿主種における遺伝子変異や自然選択のみによる場合よりもはるかに迅速に、変化する環境条件に適応することができる。

サンゴのプロバイオティクス仮説を、高等植物や動物を含む他の生物にまで拡張したことが、ローゼンバーグ夫妻によるホロゲノム進化論への支持と、それに関する論文発表につながった。

ホロゲノム進化理論の枠組みは以下のとおりである（Rosenberg et al. , 2007 を要約）：^{[ 28 ]}

• 「すべての動物と植物は、微生物と共生関係を築いている。」
• 「異なる宿主種は異なる共生生物群を保有しており、同じ種の個体であっても異なる共生生物群を保有している場合がある。」
• 「宿主生物とその微生物群集との関連性は、宿主と微生物叢の両方に影響を与える。」
• 「微生物が持つ遺伝情報は、宿主生物が持つ遺伝情報よりも、環境の変化に応じてより速く、より多くの過程を経て変化する可能性がある。」
• 「… 宿主のゲノムは、共生する微生物のゲノムと協働してホロゲノムを形成することができる。このホロゲノムは…宿主ゲノム単独よりも急速に変化する可能性があり、それによって複合ホロビオントの進化により大きな適応能力をもたらす。」
• 「これらの点を総合的に考慮すると、ローゼンバーグらは、ホロゲノムを持つホロビオントを進化における自然選択の単位とみなすべきであると提唱した。」

一部の著者は上記の原則に加えて、さらに別の原則を付け加えている。特定のホロビオントを自然選択の単位とみなす場合：

• ホロゲノムは世代から世代へと遺伝可能でなければならない。^{[ 29 ] [ 30 ]}

PLOS Biologyでは、ホロビオントとホロゲノムの10の原則が発表されました。^{[ 4 ]}

• I. ホロビオントとホロゲノムは生物学的組織の単位である
• II. ホロビオントとホロゲノムは、器官系、超個体、またはメタゲノムではない
• III．ホロゲノムは包括的な遺伝子システムである
• IV．ホロゲノム概念はラマルク進化論の要素を再構築する
• V. ホロゲノム変異は、すべての突然変異メカニズムを統合する
• VI. ホロゲノム進化は、核ゲノム内の遺伝子をマイクロバイオーム内の微生物に例えることで最も容易に理解できる。
• VII. ホロゲノムの概念は遺伝学に完全に適合し、多段階選択理論にも適合する。
• VIII．ホロゲノムは選択と中立性によって形成される
• IX. ホロゲノム種分化は遺伝学と共生を融合させる
• X. ホロビオントとそのホロゲノムは進化生物学の法則を変えない

多くの事例研究は、生物の共生微生物叢がその生物の生存にとって重要であることを明確に示している。（例えば、マイクロバイオームの記事にある多数の事例研究を参照。）しかし、内共生生物の水平伝達と垂直伝達を区別する必要がある。^{[ 31 ]}主に垂直伝達される内共生生物は、宿主種に存在する遺伝可能な遺伝的変異に寄与していると考えられる。^{[ 29 ]}

サンゴなどの群体生物の場合、群体の個々のメンバーは無性生殖によって生死を繰り返しますが、群体の微生物共生関係は存続します。サンゴには有性生殖もあり、プランクトン幼生が生じますが、この成長段階を通して微生物共生関係が存続するかどうかはあまり明確ではありません。また、群体の細菌群集は季節によって変化する可能性があります。^{[ 23 ]}

多くの昆虫は、細菌パートナーと遺伝的に受け継がれる絶対共生関係を維持している。例えば、Asobara tabida種の雌バチの正常な発達は、ボルバキア菌の感染に依存している。感染が「治癒」されると、卵巣が退化する。^{[ 32 ]}感染の伝播は、卵細胞質を介した垂直感染である。

対照的に、共生生物の伝達が水平伝達による多くの絶対共生関係が文献で記述されている。よく研究されている例として、夜行性のイカEuprymna scolopesがあり、共生細菌Vibrio fischeriの助けを借りて腹部から光を発することで、月明かりに照らされた海面に輪郭をカモフラージュしている。^{[ 33 ]}ローゼンバーグ夫妻はこの例を進化のホロゲノム理論の文脈で引用している。^{[ 34 ]}イカと細菌は高度に共進化した関係を維持している。孵化したばかりのイカは海水から細菌を収集し、宿主間の共生生物の水平伝達により、宿主ゲノム内の変異よりも宿主種内での有益な変異の伝達が速くなる。

内共生体のもう 1 つの伝統的な区別は、一次共生体と二次共生体です。^{[ 29 ]}一次内共生体は、より大きな器官のような構造 (昆虫ではバクテリオーム)に組織化されることがある特殊な宿主細胞に生息しています。宿主と一次内共生体との共生関係は通常古く、推定年齢は数千万年から数億年です。内共生理論によれば、一次内共生体の極端な例には、ミトコンドリア、プラスチド(葉緑体を含む)、およびおそらく真核細胞の他のオルガネラが含まれます。一次内共生体は通常、垂直伝達のみで、その関係は常に相利共生であり、一般的に両方のパートナーにとって必須です。一次内共生は驚くほど一般的です。たとえば、推定 15% の昆虫種がこの種の内共生体を宿しています。^{[ 35 ]}対照的に、二次内共生は、少なくとも宿主の観点からは、しばしば任意的であり、その関係はそれほど古くはない。二次内共生体は、特殊な宿主組織には生息せず、体腔内の脂肪、筋肉、神経組織に分散して生息したり、腸内で増殖したりする。伝播は、垂直伝播、水平伝播、または垂直伝播と水平伝播の両方によって行われる可能性がある。宿主と二次内共生体の関係は、必ずしも宿主にとって有益とは限らず、実際には寄生関係である場合もある。^{[ 29 ]}

垂直伝達と水平伝達、および一次内共生と二次内共生の区別は絶対的なものではなく、連続的なものであり、環境の影響を受ける可能性がある。たとえば、カメムシNezara viridulaでは、雌が胃盲嚢で卵を塗りつけることによって子孫に提供する共生生物の垂直伝達率は20  °C では 100% であったが、30  °C では 8% に減少した。^{[ 36 ]}同様に、アブラムシでは、一次内共生生物Buchneraを含む細菌細胞の垂直伝達は高温で大幅に減少する。^{[ 37 ]}同様に、片利共生、相利共生、寄生関係の区別も絶対的なものではない。例えば、マメ科植物と根粒菌の関係を見てみましょう。窒素_の吸収は、土壌中の固定窒素の吸収よりもエネルギー的にコストがかかるため、土壌中の窒素が制限要因でない限り、土壌中の窒素が優先されます。根粒形成の初期段階では、植物と根粒菌の関係は、共生関係というよりもむしろ病原性に近いと言えます。

ラマルク主義とは、生物が生涯を通じて獲得した特性を子孫に伝えるという概念（獲得形質の遺伝、または軟性遺伝とも呼ばれる）であり、当時の一般的な2つの考え方を取り入れたものである。

• 使用と不使用 ― 個人は必要としない（または使用しない）特性を失い、有用な特性を発達させる。
• 獲得形質の遺伝 ― 個人は祖先から形質を受け継ぐ。

ラマルク理論は、自然選択の対象となるランダムな変異によって進化が起こるとする現代の進化論的総合説のネオダーウィニズムによって否定されたが、ホロゲノム理論にはラマルクの概念を彷彿とさせる側面がある。従来認識されている変異様式（すなわち、性的組換え、染色体再編成、突然変異）に加えて、ホロビオントはホロゲノム理論に特有の2つの変異メカニズムを可能にする。（1）既存の微生物の相対的な個体数の変化（すなわち、増幅と減少）と（2）環境からの新しい株の獲得であり、これは子孫に受け継がれる可能性がある。^{[ 34 ]}

既存の微生物の相対的な個体数の変化はラマルクの「使用と不使用」に対応し、環境から新しい株を獲得し、それが子孫に受け継がれる能力はラマルクの「獲得形質の遺伝」に対応する。したがって、ホロゲノム理論は、その提唱者によって、ダーウィンの枠組みの中にラマルク的な側面を取り入れたものとされている。^{[ 34 ]}