共生発生

アルファプロテオバクテリアは、ミトコンドリアに最も近縁な自由生活生物であると考えられている。^{[ 26 ]}最近の研究では、ミトコンドリアは、アルファプロテオバクテリアのサブクレードであるペラジバクター目細菌、特にSAR11クレードに属する細菌に最も近縁であることがさらに示されている。^{[ 27 ] [ 28 ]}

窒素固定糸状シアノバクテリアは、プラスチドに最も近縁な自由生活生物である。^{[ 26 ] [ 29 ] [ 30 ]}

シアノバクテリアとアルファプロテオバクテリアはどちらも、数千のタンパク質をコードする大きな (>6 Mb ) ゲノムを維持している。^{[ 26 ]}プラスチドとミトコンドリアは^、細菌の近縁種と比較すると、ゲノムサイズが劇的に減少している。^{[ 26 ]}光合成生物の葉緑体ゲノムは通常 120～200 kbで、 20～200 個のタンパク質をコードしている^{[ 31 ] 。}ヒトのミトコンドリアゲノムは約 16 kb で^、 37 個の遺伝子をコードしており、そのうち 13 個はタンパク質である。^{[ 32 ]}しかし、シアノバクテリアから進化したと判明した色素体を含む淡水性アメーバのPaulinella chromatophora を例に挙げ、キーリングとアーチボルドは、これが唯一の可能な基準ではないと主張している。もう一つは、宿主細胞が以前の内部共生体の分裂の制御を引き継ぎ、それによって細胞自身の分裂と同期させているというものである。^{[ 24 ]} Nowack と同僚は、クロマトフォア (1.02 Mb) の遺伝子配列を決定し、これらの光合成細胞によってコードされているタンパク質はわずか 867 個であることを発見した。最も近縁な自由生活シアノバクテリアであるSynechococcus属(ゲノムサイズ 3 Mb、遺伝子数 3300) との比較から、クロマトフォアはゲノムが劇的に縮小していることが明らかになった。クロマトフォアには光合成に関与する遺伝子が含まれていたが、他の生合成機能を実行できる遺伝子が不足していた。この観察結果は、これらの内部共生体細胞が生存と成長メカニズムのために宿主に大きく依存していることを示唆している。したがって、これらの色素体はミトコンドリアや色素体と比較すると、細胞小器官特有の目的には機能しないことが判明した。この違いが光合成細胞小器官の初期進化を促進した可能性がある。^{[ 33 ]}     

遺伝的自律性の喪失、すなわち内共生体からの多くの遺伝子の喪失は、進化の非常に初期に起こった。^{[ 34 ]}元の内共生体のゲノム全体を考慮すると、進化の過程で遺伝子には主に3つの運命がある。1つ目は機能的に冗長な遺伝子の喪失であり、^{[ 34 ]}すでに核に存在する遺伝子が最終的に失われる。2つ目は遺伝子の核への移行であり、3つ目はかつて生物であったオルガネラに遺伝子^{が残ることである。 [ 26 ] [ 34][ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}内共生体の自律性の喪失と宿主との統合は、主に核遺伝子の移行に起因すると考えられる。^{[ 37 ]オルガネラの}ゲノムは進化の過程で大幅に縮小したが、核遺伝子は拡大し、より複雑になった。^{[ 26 ]}その結果、多くの色素体およびミトコンドリアのプロセスは、核にコードされた遺伝子産物によって駆動される。^{[ 26 ]}さらに、内共生体に由来する多くの核遺伝子は、その細胞小器官とは無関係な新しい機能を獲得している。^{[ 26 ] [ 37 ]}

遺伝子伝達のメカニズムは完全には解明されていませんが、この現象を説明するために複数の仮説が存在します。考えられるメカニズムには、相補的DNA（cDNA）仮説とバルクフロー仮説が含まれます。^{[ 26 ] [ 35 ]}

cDNA仮説は、メッセンジャーRNA（mRNA）を使用して遺伝子を細胞小器官から核に輸送し、そこでcDNAに変換されてゲノムに組み込まれるというものである。^{[ 26 ] [ 35 ]} cDNA仮説は、顕花植物のゲノムの研究に基づいている。ミトコンドリア内のタンパク質コードRNAは、細胞小器官特異的なスプライス部位と編集部位を使用してスプライシングおよび編集される。しかし、一部のミトコンドリア遺伝子の核コピーには、細胞小器官特異的なスプライス部位が含まれていないため、処理されたmRNA中間体の存在が示唆される。編集されたミトコンドリアcDNAは核ゲノムと組み換える可能性は低く、本来のミトコンドリアゲノムと組み換える可能性が高いことから、cDNA仮説はその後修正された。編集されたミトコンドリア配列がミトコンドリアゲノムと組み換えられると、ミトコンドリアスプライス部位はミトコンドリアゲノムには存在しなくなる。したがって、その後の核遺伝子転移もミトコンドリアスプライス部位を欠くことになる。^{[ 26 ]}

バルクフロー仮説は、cDNA仮説の代替案であり、mRNAではなく、脱出したDNAが遺伝子伝達のメカニズムであると述べている。^{[ 26 ] [ 35 ]}この仮説によれば、オートファジー（正常な細胞破壊）、配偶子形成（配偶子の形成）、細胞ストレスなどの細胞小器官の障害によりDNAが放出され、核に取り込まれ、非相同末端結合（二本鎖切断の修復）を使用して核DNAに組み込まれる。^{[ 35 ]}例えば、内共生の初期段階では、主要な遺伝子伝達が欠如していたため、宿主細胞は内共生体をほとんど制御できなかった。内共生体は宿主細胞とは独立して細胞分裂を行い、宿主細胞内に内共生体の「コピー」が多数生じた。内共生体の一部は溶解（破裂）し、高レベルのDNAが核に組み込まれた。同様のメカニズムは、遺伝子伝達率が高く、細胞内に複数の葉緑体を持つタバコ植物でも起こると考えられている。^{[ 34 ]}さらに、オルガネラ遺伝子の非ランダムなクラスターの存在もバルクフロー仮説を裏付けており、複数の遺伝子の同時移動を示唆している。^{[ 35 ]}

フォード・ドゥーリトルは、（どのようなメカニズムであれ）遺伝子伝達はラチェットのように機能し、オルガネラから核ゲノムへの遺伝子の一方向的な伝達をもたらすと提唱した。^{[ 38 ]}オルガネラの遺伝物質が核ゲノムに組み込まれると、オルガネラまたは核の遺伝子コピーのいずれかが集団から失われる可能性がある。オルガネラのコピーが失われ、それが固定されるか、遺伝的浮動によって失われた場合、遺伝子は核に正常に伝達される。核のコピーが失われた場合、水平遺伝子伝達が再び起こり、細胞は核への遺伝子の正常な伝達を「もう一度試みる」ことができる。^{[ 38 ]}このラチェットのような方法で、オルガネラの遺伝子は進化の時間とともに核ゲノムに蓄積されると予想される。^{[ 38 ]}

ミトコンドリアは、炭素系高分子を代謝して細胞のためのエネルギー運搬分子ATPを合成する細胞小器官である。^{[ 40 ]}ミトコンドリアにDNAが存在し、 mtDNA由来のタンパク質が存在することから、この細胞小器官は原始真核生物に組み込まれる前は原核生物であった可能性がある。^{[ 41 ]}ミトコンドリアと宿主細胞はゲノムの一部を共有し、同時に分裂し、互いにエネルギーを生成する手段を提供するため、ミトコンドリアは内共生体ではなく細胞小器官とみなされている。^{[ 41 ]}エンドメンブレン系と核膜は、原始ミトコンドリアから派生したと仮説が立てられている。^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}

核の存在は、真核生物と原核生物の大きな違いの 1 つです。^{[ 45 ]}真核生物と原核生物の間で保存されている核タンパク質のいくつかは、これら 2 つのタイプが共通の祖先を持っていたことを示唆しています。^{[ 46 ]}核形成の背後にあるもう 1 つの理論は、初期の核膜タンパク質が細胞膜を折り畳み、核膜のような孔のある球体を形成するようにしたというものです。^{[ 47 ]} 核膜を形成する方法として、細胞がその目的のために細胞膜を折り畳む代謝プロセスを発達させる場合よりも、内共生の方がエネルギー消費が少ないと予想されます。^{[ 43 ]}エネルギー産生ミトコンドリアなしで取り込まれた細胞を消化することは、宿主細胞にとって困難だったでしょう。^{[ 42 ]}この見解では、プロトミトコンドリアから出る膜結合バブルまたは小胞が核膜を形成した可能性があります。^{[ 42 ]}

初期の真核細胞がプロトミトコンドリアを組み込んだ共生発生の過程には、古細菌宿主ゲノムを活性酸素種の放出から保護することが含まれていたと考えられる。これらの活性酸素種は、プロトミトコンドリアによる酸化的リン酸化とATP産生中に生成されたと考えられる。核膜は、活性酸素種によって引き起こされる核ゲノムDNA損傷から保護するための適応的革新として進化した可能性がある。^{[ 48 ]}初期の真核生物の進化中に、祖先のプロトミトコンドリアゲノムから核ゲノムへの遺伝子の相当量の転移が起こったと考えられる。^{[ 49 ]}核膜によってもたらされる活性酸素種に対する核ゲノムのより大きな保護が、この遺伝子転移の適応的利点を説明できるかもしれない。

現代の真核細胞は、エンドメンブレンシステムを使用して、生成物や老廃物を細胞内外に輸送します。核膜とエンドメンブレン小胞の膜は、類似した膜タンパク質で構成されています。^{[ 50 ]}これらの小胞は、由来した、または移動しているオルガネラと類似した膜タンパク質を共有しています。^{[ 51 ]}これは、核膜を形成したものがエンドメンブレンシステムも形成したことを示唆しています。原核生物は真核生物のような複雑な内部膜ネットワークを持っていませんが、外膜から細胞外小胞を生成することができます。^{[ 42 ]}初期の原核生物が原始真核生物に消費された後、原核生物は細胞内に蓄積する小胞を生成し続けました。^{[ 42 ]}小胞の内部成分の相互作用により、エンドメンブレンシステムの一部である小胞体とゴルジ装置が形成された可能性があります。^{[ 42 ]}

1998年にロペス・ガルシアとモレイラによって提唱された共生仮説は、真核生物は、発酵性デルタプロテオバクテリアとメタン資化性アルファプロテオバクテリアの代謝能力を組み合わせることによって発生し、それがミトコンドリアになったと示唆した。^{[ 52 ]} 2020年、同じチームは共生仮説を更新し、水素を生成するプロメテオバクテリアと硫黄を酸化するデルタプロテオバクテリアを対象とするようになった。3番目の生物である、好気呼吸と嫌気呼吸の両方が可能で硫黄を酸化できるアルファプロテオバクテリアがミトコンドリアに発達し、光合成もできた可能性がある。^{[ 53 ]}

原核生物から真核生物への移行がいつ起こったのか、そして最初の冠群真核生物が地球上に現れたのはいつなのかという問題は未解決である。真核生物に確実に分類できる最古の既知の体化石は、インドの16億3100万年前のデオナール層から産出した棘状アクリタークである。 ^{[ 54 ]}これらの化石は、ミトコンドリアによって維持される洗練された形態形成細胞骨格を持つ派生的な核後真核生物として識別することができる。 ^{[ 55 ]}この化石の証拠は、アルファプロテオバクテリアの細胞内共生による獲得が16億年前より前に起こったに違いないことを示している。分子時計も最後の真核生物の共通祖先を推定するために使用されてきたが、これらの方法には大きな固有の不確実性があり、年代の範囲が広い。妥当な結果には、約18億年前という推定値が含まれる。^{[ 56 ]} 2.3 Gya という推定値^{[ 57 ]}も妥当に思え、地球の歴史上最も顕著な生物地球化学的変動の 1 つですが、古原生代初期の大酸化イベントと一致するという魅力も加わっています。当時の大気中の酸素濃度の著しい増加は、真核生物の発生の一因となり、酸素を解毒するミトコンドリアの進化を誘発したと考えられています。^{[ 58 ]}あるいは、大酸化イベントは真核生物の発生とその有機炭素の輸出と埋没への影響の結果である可能性もあります。^{[ 59 ]}

細胞内共生生物の遺伝子の一部は細胞小器官内に残存する。色素体とミトコンドリアは、rRNA、tRNA、酸化還元反応に関与するタンパク質、転写、翻訳、複製に必要なタンパク質をコードする遺伝子を保持している。細胞小器官がゲノムのごく一部を保持する理由を説明する仮説は数多く存在するが、どの仮説もすべての生物に当てはまるわけではなく、このテーマは依然として非常に議論の的となっている。疎水性仮説は、高度に疎水性（水を嫌う）なタンパク質（酸化還元反応に関与する膜結合タンパク質など）は細胞質内を容易に輸送されないため、これらのタンパク質はそれぞれの細胞小器官内でコードされなければならないと述べている。コード不一致仮説は、細胞小器官と核の間で遺伝暗号とRNA編集が異なるため、転送が制限されると述べている。酸化還元制御仮説は、酸化還元反応タンパク質をコードする遺伝子は、修復の必要性とこれらのタンパク質の合成を効果的に連動させるために保持されていると述べている。例えば、光化学系の1つが色素体から失われると、中間電子伝達体が電子を失ったり、過剰に電子を得たりして、光化学系の修復が必要であることを知らせる。核にシグナルを送り、細胞質タンパク質を細胞小器官に輸送するのにかかる時間遅延により、有害な活性酸素種が生成される。最後の仮説では、膜タンパク質、特に酸化還元反応に関与するタンパク質の組み立てには、サブユニットの協調的な合成と組み立てが必要であるが、翻訳とタンパク質輸送の協調は細胞質では制御がより困難であると述べている。^{[ 26 ] [ 31 ] [ 34 ] [ 60 ]}

ミトコンドリアとプラスチドの遺伝子の大部分は、光合成（プラスチド）または細胞呼吸（ミトコンドリア）に関与するタンパク質をコードする遺伝子の発現（転写、翻訳、複製）に関連しています。光合成または細胞呼吸の喪失により、それぞれプラスチドゲノムまたはミトコンドリアゲノムが完全に失われると予測されるかもしれません。^{[ 26 ] [ 31 ] [ 34 ]}オルガネラゲノム全体を失ったミトコンドリアの子孫（ミトソームと水素小体）の例は多数ありますが、 ^{[ 51 ]}非光合成プラスチドは小さなゲノムを保持する傾向があります。この現象を説明する主な仮説は 2 つあります。^{[ 34 ] [ 61 ]}

必須tRNA仮説では、RNA産物（tRNAおよびrRNA）をコードする遺伝子の機能的な葉緑体から核への遺伝子転移はこれまで記録されていないと指摘されている。そのため、葉緑体は独自の機能的なRNAを合成するか、核から対応するRNAを取り込む必要がある。しかし、tRNA-GluおよびtRNA-fmetをコードする遺伝子は不可欠であると思われる。葉緑体はヘム生合成を担っており、その前駆体分子として葉緑体由来のtRNA-Glu（trnE遺伝子由来）を必要とする。他のRNAをコードする遺伝子と同様に、trnEは核へ転移できない。さらに、trnEは高度に保存されているため、細胞質のtRNA-Gluで置き換えられる可能性は低い。trnEの単一塩基置換はヘム合成の喪失につながる。 tRNA-ホルミルメチオニン（tRNA-fmet）の遺伝子もプラスチドゲノムにコードされており、プラスチドとミトコンドリアの両方での翻訳開始に必要である。ミトコンドリアがタンパク質を翻訳している限り、プラスチドはtRNA-fmetの遺伝子を発現し続ける必要がある。^{[ 34 ]}

限定ウィンドウ仮説は、非光合成性プラスチドにおける遺伝子の保持についてより一般的な説明を提供する。^{[ 61 ]}この仮説によれば、遺伝子は細胞小器官の撹乱後に核に転移する。^{[ 35 ]}撹乱は内共生の初期段階では一般的であったが、宿主細胞が細胞小器官の分裂を制御するようになると、真核生物は細胞あたり1つのプラスチドのみを持つように進化することができた。プラスチドが1つしかないと、遺伝子転移は著しく制限される^{[ 34 ]}。なぜなら、単一のプラスチドの溶解は細胞死につながる可能性が高いからである。^{[ 34 ] [ 61 ]}この仮説と一致して、複数のプラスチドを持つ生物は、単一のプラスチドを持つ生物と比較して、プラスチドから核への遺伝子転移が80倍増加することが示されている。^{[ 61 ]}