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温度感受性変異とは、低温では生物が正常に機能するが、高温では機能が変化する遺伝子の変異体である。低温感受性変異とは、高温では生物が正常に機能するが、低温では機能が変化する遺伝子の変異体である。
ほとんどの温度感受性変異はタンパク質に影響を与え、非許容温度でタンパク質の機能喪失を引き起こします。許容温度とは、タンパク質が通常適切に折り畳まれるか、適切に折り畳まれた状態を維持できる温度のことです。それより高い温度では、タンパク質は不安定になり、適切に機能しなくなります。これらの変異は通常、二倍体生物では劣性です。温度感受性変異は可逆的なメカニズムを備えており、成長のさまざまな段階で特定の遺伝子産物を減少させることができ、これは成長温度を変えることで容易に行うことができます。
許容温度とは、温度感受性変異遺伝子産物が正常な機能的表現型を示す温度のことである。温度感受性変異体を許容条件下で培養すると、変異アレルが存在していても、変異遺伝子産物は正常に振る舞う（つまり、表現型は観察されない） 。その結果、細胞または生物は、まるで野生型株であるかのように生存する。一方、非許容温度または制限温度とは、変異表現型が観察される温度のことである。
温度感受性変異は通常ミスセンス変異であり、タンパク質の折り畳みにおけるエネルギーランドスケープをわずかに変化させる。変異タンパク質は、標準的な低温（許容温度）では機能する。一方、比較的高い非許容温度では機能を失い、中程度の準許容温度では低機能性（遺伝子機能の部分的喪失）を示す。
温度感受性変異は、特定の温度で遺伝子機能を変化させることで、生物の発生に大きな影響を与える可能性がある。これらの変異は、低温の「許容」温度では正常に機能するタンパク質に影響を与えるが、高温の「制限」温度では機能不全に陥ったり、分解したりする。この特性により、研究者は温度条件を制御することで遺伝子機能を研究することができる。
一例として、ショウジョウバエのvirilizer（vir）遺伝子の突然変異があり、高温下で雌の形質が適切に発達するのを妨げます。[ 1 ]これは、温度感受性突然変異が発達経路の調節において重要な役割を果たしていることを示しています。
温度感受性変異はヒトの疾患でも観察されている。例えば、脊髄性筋萎縮症（SMA）では、運動ニューロン生存（SMN）タンパク質に影響を与える変異により、高温下で不安定になり、神経機能障害を引き起こす可能性がある。[ 2 ]
研究者たちは、温度感受性変異を人工的に導入する方法を開発してきた。その一つのアプローチは、インテインを介したタンパク質スプライシングを利用するもので、特定の温度条件下でタンパク質断片が除去される。Tanら（2009）の研究では、設計されたインテインが低温ではスプライシングし、高温ではそのままの状態を保つことでタンパク質の機能を調節し、タンパク質の活性を阻害できることが示された。[ 3 ]
温度感受性変異を利用することで、科学者は正常な発生過程と疾患過程の両方における遺伝子やタンパク質の機能的役割を研究することができる。
基本的なレベルでは、すべての生物は環境に反応します。特に、生物の環境の温度は、その生物の生活のさまざまな側面に大きな影響を与える可能性があります。温度がさまざまな種にどのように影響するかを理解することは、それぞれの生物が温度に対して異なる反応を示すため、研究するのが困難です。適切な対処メカニズムを持たないため、高温に対してより脆弱な生物もいるかもしれません。さらに、単一の生態系内の生物の適応度は他の生物と密接に絡み合っているため、種がどのように反応するかを予測することは困難です[14]。
温度は、生物の遺伝的変異、生理的特性、適応、生存能力を形成することで、生物の進化に影響を与える環境要因です。気候変動により地球の気温が上昇するにつれて、生物種は温度感受性変異など、タンパク質の機能に影響を与える突然変異を通じてこれらの変化に適応しなければなりません。具体的には、高温は突然変異率を高め、タンパク質の安定性を変化させ、自然選択に影響を与える可能性があります。これらの要因は、時間の経過とともに集団の進化的な変化につながる可能性があります。しかし、これらの高温に適応する際、生物はしばしばトレードオフを経験します。トレードオフとは、ある特性で有利になることが、別の特性で不利になるという妥協のことです。[ 4 ]
高温は、DNA複製中のエラーの増加や変異原への曝露の増加につながる自然突然変異率を高めることで、突然変異率に直接影響を与える可能性があります。研究によると、これらの影響は代謝率の上昇によるものである可能性があります。より具体的には、Daphnia pulexを用いた研究では、自然突然変異はさまざまな温度条件下で適応度への影響が異なることがわかり、温度が突然変異の影響を形成する上で役割を果たしていることが示唆されています。[ 5 ]さらに、この高い突然変異率は、自然選択が作用する遺伝的多様性の範囲を広げ、集団がより迅速に適応できるようにします。しかし、突然変異が多すぎると、遺伝性疾患や不適応形質の発生率が高くなり、全体的な適応度が低下する可能性があります。
タンパク質は正しく機能するために正確な折り畳みを必要とするため、高温はタンパク質の構造を不安定化させ、機能喪失につながる可能性があります。この不安定性は進化にとって課題となります。生物は温度変化に対処しながらタンパク質の機能を維持する方法を見つけなければならないからです。その結果、高温環境で進化する生物は、タンパク質の安定性を高める代償的変異を発達させたり、適切な折り畳みを助けるタンパク質を採用したりする可能性があります。しかし、不安定化したタンパク質の機能を回復させるのに役立つこれらの変異はまれであることが研究で示されており、タンパク質を安定に保つことがいかに重要であるかが強調されています。[ 5 ]研究者によるある研究では、温度感受性変異を使用したゲノムワイドCRISPRスクリーニングが、タンパク質の恒常性および疾患制御に関与する重要な経路をマッピングできることが実証されました。 [ 6 ]これらの進化的な変化により、熱条件にもかかわらず、必須の細胞機能が損なわれないことが保証されます。
持続的な高温にさらされる集団は、耐熱性形質を持つ個体を有利にする選択圧に直面し、膜脂質、ヒートショックタンパク質、耐熱性酵素の変化など、耐熱性に関連する有益な対立遺伝子の拡散につながります。地球の気温が上昇するにつれて、温度感受性変異を持つ生物は、以前は中立または有害であった変異が有利になるような適応度地形の変化を経験する可能性があります。このダイナミクスは、突然変異率の変化や高温に対する反応の変動を示す実験的進化研究に見られるように、自然選択と急速な適応を促進します。 [ 7 ]
高温への適応には代償が伴う。高温での安定性を最適化するために設計されたタンパク質は、低温では柔軟性や機能性が低下する可能性があり、様々な環境下での生物のパフォーマンスにトレードオフが生じる。また、タンパク質の安定性を維持するために必要なエネルギーが、生殖や成長といった他の重要なプロセスから資源を奪ってしまうというトレードオフも考えられる。生物は耐熱性と全体的な適応度とのバランスを取らなければならないため、こうしたトレードオフが進化の軌跡を形作る可能性がある。
気候変動は、今日の科学界において非常に大きなテーマとなっている。科学者たちは、気候変動が様々な生態系、生物、そして人類にどのような影響を与えるのかについて、多くの疑問を投げかけてきた。この疑問は、温度感受性突然変異という観点からも生じる。
前述のように、特定の種の特性や行動は温度に依存しています。地球温暖化が進むにつれて、温度変化に敏感で、その特性や栄養獲得能力に影響を与える生物に何が起こるのかが問題となります。[ 8 ]気候変動は必ずしも良いことではありませんが、一部の研究では、気候温度の上昇によって恩恵を受けている生物もいることが示されています。温度上昇は生物の適応度を高める可能性があることが示されています。 [ 9 ]
気候変動は野生のオスとメスの比率にも影響を与え始める可能性がある。爬虫類などの一部の動物では、卵の中で発育する際の外部の温度によって性別が決定される。これはほとんどのカメの種で起こる現象であり、気温の上昇は一方の性別の増加につながり、結果として繁殖のための交尾相手の減少を招く可能性がある。これは突然変異ではないが、特定の種の多くのプロセスが温度に敏感であることを示している。[ 10 ]
温度感受性変異は生物学的研究において有用である。これらは細胞や生物の生存に必要な必須プロセスを研究することを可能にする。必須遺伝子の変異は一般的に致死的であるため、温度感受性変異は研究者が制限温度で表現型を誘導し、その影響を研究することを可能にする。温度感受性表現型は、その影響を研究するために特定の発生段階で発現させることができる。これはまた、気候変動の影響で特定の生物に何が起こるかを判断するためにも行われる。温度感受性変異は、特に分子レベルから生命の多くの側面を解明するのに役立つ遺伝子研究など、さまざまな種類の研究にとって重要である。[ 11 ]
1970年代後半、細胞の生存と新しい芽の成長に不可欠なサッカロミセス・セレビシエの分泌経路が、温度感受性変異体を用いて解析され、23個の必須遺伝子が同定された。
1970年代には、ショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）において、 shibire tsなどの温度感受性変異遺伝子がいくつか同定され、シナプス機能の最初の遺伝学的解析につながった。1990年代には、ショウジョウバエにおいて、熱ショックプロモーターhsp70が温度調節遺伝子発現に用いられた。
大腸菌宿主細胞へのバクテリオファージ（ファージ）T4温度感受性（TS）条件致死変異体の感染は、高制限温度下では一般的にファージの増殖を起こさない。しかし、異なる遺伝子に欠陥を持つ2つのTS変異体による制限条件下での同時感染は、遺伝子間相補作用により一般的に旺盛な増殖をもたらす。ファージT4のTS変異体の発見と、相補性試験におけるこれらの変異体の使用は、この生物の多くの遺伝子の同定に貢献した。遺伝子によって規定されるポリペプチドの複数のコピーはしばしばマルチマーを形成するため、同じ遺伝子に欠陥を持つ2つの異なるTS変異体による混合感染は、しばしば混合マルチマーと部分的な機能回復をもたらし、この現象は遺伝子内相補作用と呼ばれる。同じ遺伝子に欠陥を持つTS変異体の遺伝子内相補作用は、マルチマーの構造組織に関する情報を提供することができる。部分的に制限された条件下でのファージTS変異体の増殖は、遺伝子の機能の同定に用いられてきた。このように、 DNA損傷の修復に関わる遺伝子や、遺伝子組換えに関わる遺伝子が同定された。例えば、TS DNA修復変異体を中間温度で培養すると、子孫ファージが産生される。しかし、そのTS変異体に紫外線を照射すると、照射された野生型ファージT4の生存率の低下よりも、生存率の低下がより顕著になる。
高温では増殖できるが低温では増殖できない条件付き致死変異体も、ファージT4から分離された。これらの低温感受性変異体は、特定の遺伝子群を規定しており、その一部は以前に他のタイプの条件付き致死変異体によって同定されていた。