進化遺伝学：ゲノム編集によりオオカバマダラの毒素耐性の進化を再現する
Nature 574, 7778 doi: 10.1038/s41586-019-1610-8
適応の遺伝学的機構を特定するには、DNA塩基配列の進化、表現型、適応度の間のつながりを解明する必要がある。収斂進化は、適応形質の根底にある候補変異を特定するための指標として使用でき、また、新しいゲノム編集技術は、全生物においてこれらの変異の機能的な検証を容易にしている。我々は、これらの手法を組み合わせて、毒素である強心配糖体を産生する植物にコロニーを形成するように独立して進化した「オオカバマダラ（monarch butterfly；Danaus plexippus）」など、昆虫綱の6つの目における収斂の典型例を研究してきた。これらの昆虫の多くは、強心配糖体の生理的標的であるナトリウムポンプ（Na+/K+-ATPアーゼ）のαサブユニット（ATPα）において、アミノ酸置換を平行進化させた。今回我々は、強心配糖体の特殊化に関連する、ATPα中の反復変化した3つのアミノ酸部位（111、119、122）が関与する変異経路について説明する。我々は次に、キイロショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）において天然のAtpα遺伝子にCRISPR–Cas9塩基編集を行い、オオカバマダラ系統に起こった変異経路を再現した。我々は、in vivo、in vitro、in silicoで、強心配糖体に対する耐性を付与して標的部位の感受性を失わせる経路を示す。この経路の結果、オオカバマダラのように強心配糖体に非感受性の三重変異体「monarch fly」が生じた。「monarch fly」は変態期間中に少量の強心配糖体を保持しており、これは、オオカバマダラにおいて捕食者を防ぐために最適化されてきた形質である。このようなアミノ酸置換が進化した順序は、エピスタシスを介して拮抗的な多面発現が軽減されることで説明された。我々の研究は、オオカバマダラが、あるクラスの植物毒素に対する耐性を進化させて、最終的に捕食されにくくなり、生態学的群集内の種の相互作用の性質を変化させた仕組みを明らかにしている。
