分子古生物学

分子古生物学とは、古代の人類、動物、植物の遺骸からDNA、タンパク質、炭水化物、脂質、およびそれらの続成作用生成物を回収し、分析することを指します。 ^{[1] [2]} 分子古生物学の分野は、進化の出来事、種の分散、絶滅種の発見と特徴付けに関する重要な洞察をもたらしました。

浅い時間では、分子古生物学の分野の進歩により、科学者は表現型の変化だけに頼るのではなく、遺伝子レベルで進化の問題を追求できるようになりました。最近の動物の遺体のDNAに分子分析技術を適用することで、DNAが回収された任意の2つの生物間の関連性のレベルを定量化できます。^[3] DNAの分離、増幅、配列決定などのさまざまなバイオテクノロジー技術を使用することで、^[4]科学者は数え切れないほどの最近絶滅した生物の分岐と進化の歴史に関する洞察を獲得し、拡大することができました。2021年2月、科学者は初めて動物の遺体、この場合は100万年以上前のマンモスのDNAを配列決定したと報告しました。これは、これまでに配列決定された最古のDNAです。^{[5] [6]}

太古の昔、新原生代から現代までの多様な動物の炭素質化石の組成の不均一性は、一連の酸化化石化反応を介して、現代の生体分子にコード化された生物学的特徴と結び付けられてきました。 ^{[7] [8] [9] [10]一部は}トニアン時代の炭素質化石の高分子組成は、^{[11]元の生物}鉱化作用、組織タイプ、代謝、および関係の類似性（系統発生）を反映する生物学的特徴を保存しています。 ^[9]

分子古生物学の研究は、アベルソンが貝化石の中に保存されていた3億6000万年前のアミノ酸を発見したことから始まったと言われています。^[12] しかし、分子古生物学の分野の創始者はスヴァンテ・ペーボであると考えられています。 ^[13]

分子古生物学の分野は 1950 年代以降、いくつかの大きな進歩を遂げており、継続的に成長している分野です。以下は、これまでに行われた注目すべき貢献を示すタイムラインです。

1950年代半ば:アベルソンは約3億6000万年前の化石の貝殻の中に保存されたアミノ酸を発見した。化石のアミノ酸配列を現存する生物と比較することで分子進化を研究するというアイデアを生み出した。^[12]

1970年代:化石ペプチドがアミノ酸分析によって研究される。^[14] ペプチド全体と免疫学的手法の使用が開始される。^[15]

1970年代後半: 古植物学者(Paleobotanistsとも綴られる)は、保存状態の良い化石植物から得られた分子を研究した。^[16]

1984年:絶滅したシマウマに似た種であるクアッガのDNA配列の解析に初めて成功。^[1]

1991年：恐竜、特にセイスモサウルスの化石骨からタンパク質を抽出することに成功したという論文を発表。^[17]

2005年：科学者が絶滅した1918年のインフルエンザウイルスを復活させた。^[18]

2006年： ネアンデルタール人の核DNA配列断片の分析と公開が始まる。^[23]

2007年：科学者が絶滅したヒト内因性レトロウイルス（HERV-K）を一から合成した。^[19]

2010年:シベリアの洞窟で発見された骨から回収されたミトコンドリアと核のゲノムから、初期人類の新種であるデニソワ人が発見された。分析の結果、デニソワ人の標本は約41,000年前に生息し、約100万年前にアフリカで現代人とネアンデルタール人と共通の祖先を持っていたことが判明した。^[20]

2013年：ネアンデルタール人の全ゲノムの解読に初めて成功。詳細についてはネアンデルタール人ゲノムプロジェクトをご覧ください。^[21]

2013年：残存ミトコンドリアDNAを含む40万年前の標本の配列が決定され、ネアンデルタール人とデニソワ人の共通祖先であるホモ・ハイデルベルゲンシスであることが判明。^[22]

2013年：メアリー・シュバイツァーとその同僚は、脊椎動物の細胞と軟組織が化石記録に保存されている可能性を説明する最初の化学メカニズムを提案した。このメカニズムは、おそらく酸化還元活性鉄によって生成される遊離酸素ラジカルが生体分子の架橋を誘発することを提案している。この架橋メカニズムは、ホルムアルデヒドなどによる組織学的組織固定中に発生する架橋といくらか類似している。著者らはまた、鉄の供給源は死んだ生物のヘモグロビンであると示唆している。^[24]

2015年：デニソワ人のDNAを含む11万年前の化石歯が発見されたと報告された。^{[25] [26]}

2018年:分子古生物学者は、炭素質化石残骸中のN-、O-、S-ヘテロ環組成のポリマー（引用文献Wiemann et al. 2018で言及されているAGE / ALE）を、元の組織の構造生体分子に機械的に結び付けました。メイラード反応に似たプロセスである酸化架橋を通じて、求核 アミノ酸残基は脂質と糖に由来する反応性カルボニル種と凝縮します。^{[8]現代および化石組織の}ラマン分光法、実験モデル化、および統計データ評価によって特定された生体分子の化石化プロセスには、高度なグリコシル化と高度な脂質酸化が含まれます。^[8]

2019年：分子古生物学者の独立した研究室が、化石化の過程で高度な糖化と脂質酸化による生体分子の変化を確認した。^[10]著者らはシンクロ トロンフーリエ変換赤外分光法を使用している。

2020年：ヴィーマンと同僚は、多様な炭素質動物化石の保存された組成の不均一性において、元々のバイオミネラリゼーション、組織タイプ、代謝、関係の類似性（系統発生）を反映する生物学的特徴を特定しました。 ^{[9]これは、}新原生代から現代までの時代の化石の初の大規模分析であり、複雑な有機物で見つかった生物学的シグナルの初の公表された記録です。^{[9]著者らは、他に類を見ない大規模な}ラマン分光法データセット の統計分析に依存しています。

2021年：地球化学者たちは、トニアン期に遡る炭素質化石の組成から組織タイプのシグナルを発見し^[11]、これらのシグナルをエピバイオントの特定に応用した。著者らはラマン分光法を使用している。

2022年：構造生体分子の化石化のパターンを明らかにする ラマン分光データが、フーリエ変換赤外分光法とさまざまなラマン機器、フィルター、励起源を使用して再現されました。 ^[27]

2023年：生物の細胞や組織がどのように化石化するかについての初めての詳細な化学的説明が発表される。重要なことに、この研究では、遊離酸素ラジカル仮説（2013年にメアリー・シュバイツァーとその同僚によって提唱）が、多くの場合、AGE/ALE形成仮説（2018年にジャスミナ・ヴィーマンとその同僚によって提唱）と同一であることが示されている。これらの仮説を組み合わせると、熱成熟と炭化とともに、生物細胞と組織の化石化の緩やかな枠組みが形成される。^[7]

絶滅した種のDNA配列の解析に初めて成功したのは1984年で、シマウマに似た種であるクアッガの150年前の博物館標本からでした。^{[1]クアッガの} 乾燥した筋肉からミトコンドリアDNA（mtDNAとも呼ばれる）の配列が解析され、マウンテンシマウマのミトコンドリアDNAとは12塩基置換で異なることが判明しました。この2つの種は300万～400万年前に共通の祖先を持っていたと結論付けられ、これはこの種の既知の化石証拠と一致しています。^[28]

ユーラシアのデニソワ人は、ネアンデルタール人や人類と関連のあるヒト科の種で、2008年に発見された41,000年前の標本のDNA配列解析の直接的な結果として発見されました。回収された指の骨のミトコンドリアDNAを分析したところ、標本は人類とネアンデルタール人の両方とは遺伝的に異なることが示されました。2本の歯と足指の骨は後に、同じ集団の異なる個人のものであることが判明しました。分析によると、現代人が到着した当時、ネアンデルタール人とデニソワ人の両方がすでにユーラシア全土に存在していたことが示唆されています。^[21] 2015年11月、科学者はデニソワ人のDNAを含む化石の歯を発見したと報告し、その年代を11万年前と推定しました。^{[25] [26]}

デニソワ人の指骨のmtDNAは、約16,500のmtDNA鎖のうち385塩基（ヌクレオチド）が現代人のそれと異なっているのに対し、現代人とネアンデルタール人の違いは約202塩基である。対照的に、チンパンジーと現代人の違いは、約1,462のmtDNA塩基対である。^[20]これは、約100万年前に分岐したことを示唆している。歯のmtDNAは指骨のmtDNAと高い類似性を示し、同じ集団に属していたことを示している。^[29] 2本目の歯からは、他の歯や指で見つかったものと比較して予想外に多くの遺伝的差異を示すmtDNA配列が回収され、mtDNAの多様性の高さを示唆している。同じ洞窟から採取されたこの2人の個体は、ユーラシア全土から採取されたネアンデルタール人よりも多様性が高く、異なる大陸の現代人と同じくらい異なっていた。^[30]

デニソワ人の指骨から核 DNA の分離と配列決定も行われた。この標本は DNA の保存状態が異常に良く、汚染レベルも低かった。彼らはほぼ完全なゲノム配列決定を達成し、ネアンデルタール人や現代人との詳細な比較を可能にした。この分析から、ミトコンドリア配列の明らかな相違にもかかわらず、デニソワ人とネアンデルタール人は現代アフリカ人につながる系統から共通の分岐を共有していると結論付けた。デニソワ人とネアンデルタール人の配列の分岐の平均推定時間は 64 万年前で、これら 2 つの配列と現代アフリカ人の配列の差は 80 万 4 千年前である。彼らは、デニソワ人の mtDNA の分岐は、遺伝的浮動によって人類の他の系統から排除された系統の存続、または古いホミニン系統からの遺伝子移入のいずれかの結果であると示唆している。[ ^29]

ホモ・ハイデルベルゲンシスは1907年にドイツのハイデルベルク近郊で初めて発見され、その後ヨーロッパ、アフリカ、アジアの他の場所でも発見されました。^{[31] [32]} しかし、回収可能なDNAを含む標本が見つかったのは2013年、スペインのシマ・デ・ロス・ウエソス洞窟で発見された約40万年前の大腿骨からでした。大腿骨にはmtDNAと核DNAの両方が含まれていたことがわかりました。DNA抽出およびライブラリー調製技術の向上により、mtDNAの分離と配列決定に成功しましたが、観察された標本では核DNAが劣化しすぎていることが判明し、洞窟にいた古代のホラアナグマ（ Ursus deningeri ^{）のDNAも混入していました。 [33]} mtDNA分析により、標本とデニソワ人の間に意外なつながりが見つかり、この発見は多くの疑問を引き起こしました。 2014年1月に発表された「シマ・デ・ロス・ウエソスから発見されたホミニンのミトコンドリアゲノム配列」と題された論文では、ホモ・ハイデルベルゲンシスが他の既知のホミニングループとどのように関連しているかについて科学界で意見が一致していないことを説明するいくつかのシナリオが提案された。著者らが提案したもっともらしいシナリオの1つは、ホモ・ハイデルベルゲンシスがデニソワ人とネアンデルタール人の両方の祖先であるというものである。^[33] デニソワ人とネアンデルタール人の両方の核ゲノムが完全に配列決定されたことから、約70万年前に共通の祖先がいたことが示唆されており、この分野の第一人者であるスヴァンテ・パボは、この新しいホミニングループがその初期の祖先である可能性があると示唆している。^[22]

化石に応用された分子古生物学の技術は、デニソワ人やホモ・ハイデルベルゲンシスを含むいくつかの新種の発見と特徴づけに貢献しました。人類が地球上に定住するまでの道のりや、この離散期にどのような種が存在していたかをより深く理解できるようになりました。

分子古生物学の技術を使えば、絶滅した種を復活させることができるようになりました。これは2003年にピレネーアイベックス（2000年に絶滅した野生のヤギの一種）のクローン化によって初めて達成されました。ピレネーアイベックスの細胞核が、自身のDNAを取り除いたヤギの卵子に注入され、代理母ヤギに移植されました。^[34]子ヤギは肺の欠陥のため、生後わずか7分しか生きられませんでした。他のクローン動物にも同様の肺の欠陥が観察されています。^[35]

人間の活動が直接の原因で絶滅した種は数多くあります。例としては、ドードー、オオウミスズメ、タスマニアタイガー、チャイニーズカワイルカ、リョコウバトなどが挙げられます。絶滅した種は、現在も生息している近縁種の対立遺伝子置換^[36]を使用することで復活させることができます 。絶滅した種のゲノムを一から構築するのではなく、生物内のいくつかの遺伝子を置換するだけで、この方法でネアンデルタール人でさえも復活させることができる可能性があります。^[要出典]

絶滅した種の再導入をめぐる倫理は非常に議論を呼んでいる。絶滅した種の復活に反対する人々は、それが限られた資金と資源を世界の現在の生物多様性の問題の保護からそらすことになる、と主張している。^[37] 現在の絶滅率は背景絶滅率の100～1,000倍と推定されており、^[38]これらの種を簡単に復活させることができると信じられれば、絶滅回復プログラムによって現在の大量絶滅の危機に対する国民の懸念が軽減されるのではないかと懸念されている。絶滅回復に関するサイエンティフィック・アメリカンの記事の編集者は次のように問いかけている。「その間にゾウを絶滅させるためだけにマンモスを復活させるべきなのだろうか？」^[37]この時代（紀元前1万年以降）のほとんどの種の絶滅の主な要因は生息地の喪失であり、絶滅した種を一時的に復活させても、かつて生息していた環境を再現することはできない。^[39]

ジョージ・チャーチのような絶滅回復の支持者は、多くの潜在的な利益について語っている。マンモスのような絶滅したキーストーン種を再導入することは、かつてそれらに依存していた生態系のバランスを取り戻すのに役立つかもしれない。絶滅した種の中には、戻ればかつて生息していた環境に幅広い利益をもたらすものもある。例えば、マンモスは、枯れた草を食べて新しい草が生えて根付くようにしたり、定期的に雪を砕いて地面を北極の空気にさらしたりするなど、いくつかの方法でロシアと北極のツンドラの融解を遅らせることができるかもしれない。これらの技術は、絶滅危惧種の遺伝的多様性を再導入したり、動物が変化する環境でよりうまく競争できるように新しい遺伝子や形質を導入したりするためにも使用できるかもしれない。^[40]

新たな潜在的標本が発見されると、科学者は通常、まず組織学的手法を用いて細胞と組織の保存を分析し、DNA の生存条件をテストします。次に、以下に説明する手法を用いて DNA サンプルを分離し、 DNA のPCR 増幅を行って、テストに使用できる DNA の量を増やします。次に、この増幅された DNA の配列が決定されます。配列が生物の系統学的特徴と一致することを確認するよう注意が払われます。^{[1]生物が死ぬと、}アミノ酸年代測定と 呼ばれる手法を使用して生物の年齢を判定できます。これは、組織内のアスパラギン酸、ロイシン、アラニンのラセミ化の程度を調べます。時間が経つにつれて、D/L 比 (「D」と「L」は互いに鏡像) は 0 から 1 に増加します。^[41]アスパラギン酸の D/L 比が 0.08 を超えるサンプルでは、​​古代の DNA 配列を取得できません (1996 年現在)。^[42]

ミトコンドリアDNA（mtDNA）は、核DNAとは別のものです。各細胞のミトコンドリアと呼ばれる細胞小器官に存在します。両親から受け継がれ、世代ごとに再編成される核DNAとは異なり、ミトコンドリアDNAの正確​​なコピーは母親から息子や娘に受け継がれます。ミトコンドリアDNAでDNA分析を行う利点は、核DNAに比べて変異率がはるかに低いため、数万年スケールの系統を追跡することがはるかに容易になることです。mtDNAの基本変異率^{[43] （ヒトでは、この率は}ヒトミトコンドリア分子時計としても知られています）がわかれば、2つの系統が分かれている時間の長さを判定できます。mtDNAのもう1つの利点は、核DNAは各細胞に2つのコピーしか存在しないのに対し、mtDNAは何千ものコピーが各細胞に存在することです。^[44] すべての植物、動物、菌類を含むグループであるすべての真核生物は、mtDNAを持っています。 ^[45] mtDNAの欠点は、母系の系統のみが表されることです。たとえば、子供は8人の曽祖父母からそれぞれ1/8ずつDNAを受け継ぎますが、母方の曽祖母のmtDNAの正確​​なクローンを受け継ぎます。これは、子供が父方の曽祖父の姓だけを受け継ぎ、8つの姓すべてを混ぜたものではないのと同じです。

物質を分離する際には、考慮すべき点が数多くあります。まず、物質の種類と場所に応じて、サンプルの汚染やさらなる劣化を防ぐために実行しなければならないプロトコルがあります。^[4]次に、サンプルの汚染やさらなる損失を避けるために、材料の取り扱いは通常、物理的に隔離された作業エリアで、特定の条件（特定の温度、湿度など）下で行われます。^[4]

材料が得られたら、それが何であるかに応じて、それを分離して精製する方法はいくつかあります。化石からのDNA抽出は最も一般的な方法の1つであり、目的のサンプルを得るために実行できるさまざまな手順があります。^{[4]琥珀に埋葬された}化石 から抽出されたDNAは、少量のサンプルから採取し、さまざまな物質と混合し、遠心分離し、培養し、再度遠心分離することができます。^[46] 一方、昆虫からのDNA抽出は、サンプルを粉砕し、緩衝液と混合し、グラスファイバーカラムで精製することによって行うことができます。 ^{[47]結局のところ、これらの化石のサンプルがどのように分離されたかに関係なく、分離されたDNAは}増幅を受けることができなければなりません。^{[4] [46] [47]}

分子古生物学の分野は、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）の発明から大きな恩恵を受けました。PCRは、保存されたDNAのたった1つのコピーからDNA断片のコピーを何十億も作ることを可能にします。この時点までの最大の課題の1つは、DNAが時間の経過とともに劣化するため、回収されたDNAが極端に少ないことでした。^[1]

DNA配列決定は、ヌクレオチドと遺伝子の順序を決定するために行われます。^[48] DNAを抽出できる材料は多種多様です。動物では、ミトコンドリア染色体が分子研究に使用できます。植物では、葉緑体が配列データの主な情報源として研究できます。^[48]

最終的に、生成された配列は進化樹を構築するために使用されます。^[48] データ セットを一致させる方法には、最大確率、全長が最短の樹木を検索する最小進化法(近隣結合法とも呼ばれます)、および形質状態の変化が最も少ない樹木を見つける最大節約法があります。 ^{[48]樹木内で定義された種のグループは、後で}ブートストラップ法 などの統計テストによって評価され、実際に有意かどうかを確認することもできます。^[48]

生物が乾燥され、覆われていない状態でDNAを保存するための理想的な環境条件を見つけることは困難であり、分析までその状態を維持することも困難です。核DNAは通常、死後、内因性の 加水分解プロセス、^[42]、 紫外線、^[1] 、およびその他の環境ストレス要因によって急速に分解します。

また、周囲の土壌の有機分解産物との相互作用は、生体分子材料の保存に役立つことがわかっています。^[49] しかし、適切な分析を行うためには、さまざまな成分を分離する必要があるという追加の課題も生じています。^[50] これらの分解物の中には、PCR中に使用される酵素の作用を妨げるものもあることがわかっています。^[49]

最後に、古代DNA、特に古代ヒトDNAの抽出における最大の課題の1つは、PCR中の汚染です。少量のヒトDNAが、古代DNAの抽出とPCRに使用される試薬を汚染する可能性があります。これらの問題は、すべての溶液、およびプロセスで使用されるガラス器具やその他のツールの取り扱いに細心の注意を払うことで克服できます。また、異なるタイプのDNAの存在を最小限に抑えるために、1人だけが抽出を行うことも役立ちます。^[42]