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4つの性がある小鳥

スズメに似た野鳥、ノドジロシトドの配偶者選びは、雄か雌かだけでなく体色にも左右されるようだ。生態学者Elaina Tuttleは、こうした配偶システムの基盤にある奇妙な染色体の進化を解明することに生涯を捧げた。最後は、がんと闘いながら研究生活を全うした。

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Brian E. Kushner/Moment Open/Getty

Nature ダイジェスト Vol. 14 No. 2 | doi : 10.1038/ndigest.2017.170223

原文:Nature (2016-11-24) | doi: 10.1038/539482a | The sparrow with four sexes

Carrie Arnold

クランベリー湖には、生物学者Rusty Gonserがいつもそこで耳にしてきた鳥の歌声が響いていた。しかし、彼はもう二度とそこで、別の慣れ親しんだ声を聞くことはできなかった。

Gonserは25年以上にわたって、妻のElaina Tuttleと毎年夏に、アディロンダック山地にあるこのフィールド調査地を訪れてきた。最寄りの道路からボートで45分かかる場所だ。揺れる木の桟橋にボートを係留している彼の耳に、「オゥ・スウィート・カナダ」と聞こえるおなじみの短い歌声が届いた。それは、スズメ目ホオジロ科のノドジロシトド(Zonotrichia albicollis)が配偶相手を呼び求める「さえずり」だった。

しかし、彼の耳にはもう妻の話し声や笑い声は聞こえてこない。このとき、Gonserは初めて1人でクランベリー湖に来ていた。Tuttleは、その数週間前に乳がんで亡くなっていたのだ。

Tuttleの研究生活の全てとGonserの研究生活の大半は、ノドジロシトドの生物学的なあらゆる側面を解明することに捧げられてきた。2人とその研究チームは、Tuttleが2016年に52歳で亡くなる半年弱前、ノドジロシトド研究の集大成となる論文1を発表した。それは、偶然生じた遺伝的変異がどのようにして、この鳥類種に驚くべき進化の過程をたどらせたかを説明したものだった。

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PAMSCHODT/ISTOCK/GETTY IMAGES PLUS/GETTY

この変異は第2染色体の1つの広い領域が反転したもの(逆位という)で、これが生じた第2染色体は、相同な染色体と対を形成して遺伝情報を交換することができなくなった。この逆位領域に含まれる1100個以上の遺伝子は、巨大な「超遺伝子」の一部としてまとめて受け継がれ、最終的に2つの「モルフ」の進化を促した。ノドジロシトドのこれら2つの型は体色も行動も異なっており、また、反対のモルフの相手としか交配しない。TuttleとGonserの成果の画期的なところは、この進化プロセスが、ヒトのXY染色体を含む特定の性染色体の初期進化とほぼ同じであることを明らかにした点だ。ノドジロシトドが、すでに持っている2種類の性染色体の他に、さらに2種類の性染色体を進化させるところを、ちょうどうまく捉えたわけである。

「この鳥は、4つの性があるかのように振る舞います」と、東カロライナ大学(米国ノースカロライナ州グリーンビル)の進化生物学者で、Tuttleら2人と共同研究をしたChristopher Balakrishnanは話す。「この場合、1つの個体が配偶相手にできるのは集団の4分の1だけになります。3つ以上の性がある生殖システムは実際にはごくわずかしかありません」。

今回の研究成果は、生物学で長年謎とされてきた問題を説明するのに役立つものだ。2本の相同な染色体がどのようにして、複数のサブタイプへと進化し、1つの種の複数の性とそれらの互いに異なる行動を決めるのかを示したからである。「ノドジロシトドには驚くべきシステムが見られます」と話すのは、ベルン大学(スイス)の進化生態学者Catherine Peichelだ。「性染色体の進化がどのように起こったかを示す証拠は、ほとんど消えてしまっている場合が多いため、そうした進化プロセスを実際に進行している状態で観察できるのは非常にありがたいことなのです」。

TuttleとGonserのプロジェクトは、約30年分のデータの蓄積という点でもずば抜けている。これほどのデータは「現在の生物学ではほとんど前例がないでしょう」と、アリゾナ州立大学(米国テンピー)の計算生物学者Melissa Wilson Sayresは話す。「大半の研究者はプロジェクトを次々と変えてしまいますから」。

Gonserは、このプロジェクトを今後も続けようと決意している。彼は2016年の夏にまたフィールド調査地を訪れた。妻のTuttleが残した研究を継続させ、この小さく地味な野鳥を使って、性染色体の進化のプロセスを解明するためだ。「奇妙な性染色体を持つ種は他にもっといるかもしれませんが、それは今のところ誰にも分からないですし、私たちはそれを探そうとしたこともありません」と彼は話す。

繰り出されるアイデア

Gonserの頭脳は猛烈な速度で回転し、その思考は、所有するグレーのホンダ・シビックよりも出足が速い。彼はバスケットボール用の短パンとTシャツを着て、スポーツマン風に無精ひげを生やし、州間高速道路70号線を西に、インディアナ州立大学(米国テレホート)に向かって車を飛ばしていく。この大学には、彼がTuttleと共有していた研究室がある。新しい研究プロジェクトや、会うべき人々、避けるべきレストランについてアイデアが次々と口をついて出たかと思うと、彼はちょっとの間沈黙してこう謝る。「同じことを何度も繰り返し言っていたら、すまない。私の頭は、あの時からちゃんと働かなくなっていて……」と彼はしばし言い淀み、咳払いをして、「Elainaが亡くなってから……ね」と続けた。

Gonserは1991年にニューヨーク州立大学オールバニ校(米国)でTuttleと出会った。2人とも、同大学で生態学の博士号取得を目指していた。Gonserは、プエルトリコ産のコキーコヤスガエル(Eleutherodactylus coqui)を研究しており、Tuttleはニューヨーク州にあるフィンガーレイクスの魚類の生態を調べていた。このフィールドで過ごした数カ月間は、Tuttleの自然を愛する気持ちを大いに満足させた。また、彼女がノドジロシトドの不思議な生活様式を知ったのも、このフィールドだった。

ノドジロシトドは北米の東半分の人里で比較的よく見られ、一見すると皆同じような姿で、喉の部分の白斑と、両目とくちばしの間の鮮やかな黄色の羽毛を除けば、全ての個体はほぼ黄褐色と灰色の羽衣で覆われている。しかし詳しい調査から、ノドジロシトドには2つの型があることが分かっている。頭部に白色の線がある型(白色型)と、黄褐色の線がある型(黄褐色型)だ。また、野鳥観察愛好家や博物学者の間で以前から知られているように、この2つのモルフは行動様式も異なっている。

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NIK SPENCER/NATURE

黄褐色型は歌が下手だが、一夫一婦制で、アライグマやヘビなどの捕食者から幼鳥を懸命に守る。白色型は攻撃的で乱婚制、子育てに熱心ではないが歌がうまい。Gonserによれば、白色型は「オゥ・スウィート・カナダ」という旋律をオペラのように歌うという。白色型は、黄褐色型のみを配偶相手にするようである。これは、「非同類交配」と呼ばれる比較的珍しい現象だ(「相反するもの同士が引かれ合う」参照)。2つのモルフがなぜこのように振る舞うのか、Tuttleは興味を持った。

1つの大きな手掛かりが、すでに文献にあった。1966年に鳥類学者H. B. ThorneycroftがScienceに発表した論文2で、ノドジロシトドの奇妙な染色体対のことを指摘していたのだ。黄褐色型は第2染色体の同一コピーを2本持っているが、白色型では一方のコピーに逆位部分がある。まるで、広い領域をハサミで切り取り、そこを180度回転させて戻したような配列になっているのだ。これほど大規模な染色体逆位は脊椎動物ではめったに見られないと、Thorneycroftは記していた。調査した個体群では、非同類交配によって2つのモルフが等しい比率で維持されているようだった。メンデル遺伝では平均して、白色型と黄褐色型のペアの子どもの半数が逆位のある第2染色体を1コピー受け継ぐからだろう。しかし、これが事実だと証明するには、さらなる研究が必要だと考えられた。

これはTuttleにとって魅惑的なパズルだった。解ければ、染色体の進化だけでなく、社会的行動の基盤にある遺伝子も明らかになるからだ。しかし、1990年代初頭の段階でゲノム塩基配列を解読して答えを見つけるには、かかる費用や労力があまりにも大きすぎた。そこでTuttleはまず、配偶相手の選び方や営巣場所など、行動のより詳細なデータを集めることに注力した。目的は、子どもの生存率に影響を及ぼす可能性があるものを見つけ出すことだった。彼女は鳥個体を捕獲しては標識を付け、血液試料を採取し、精液採取の技術も磨いた。「Elainaは、私が出会った中で鳥の精液採取が最も上手でした」とGonserは話す。

Gonserはすぐ、この研究に引きずり込まれた(そして2人は1994年に結婚した)。2000年に息子のCalebが生まれた後、一家はクランベリー湖で夏を過ごすようになり、徐々にノドジロシトドに詳しくなっていった。2003年の論文3では、Tuttleがひな鳥の遺伝子解析を使って、2つのモルフの異なる繁殖戦略を定量化した。それによって、白色型を父親に持つ子どもの3分の1弱は、つがい相手とは別の雌との「つがい外交尾」で生まれたことが明らかになった。それに対して黄褐色型の雄は、つがい相手以外の雌を見つけることにエネルギーをあまり費やさず、自分の巣を守るためにより多くの時間を費やす。そのため、黄褐色型の雄は熱心に子育てする傾向が強い。2つのモルフは大きく異なる繁殖戦略をとっているが、繁殖成功度はどちらも同程度だった。

6年後、チームは米国立衛生研究所(NIH;メリーランド州ベセスダ)からの助成金を確保して遺伝子解析を始めた。第2染色体を詳細にマッピングしたところ4、そこに起こった変化はThorneycroftが示唆したような1回の逆位ではなく、逆位部分の中でさらに逆位が複数回起こり、一連の超遺伝子を形成していることが分かった。また、羽毛の色や行動と関連していて、2つのモルフ間の違いを説明するのに使えそうな遺伝子がいくつか見つかった。「遺伝子と行動の間にこんな直接的な関係が見つかることなど、めったにありません。ノドジロシトドが興味深い研究対象となっているのは、このためなのです」と、エモリー大学(米国ジョージア州アトランタ)の神経内分泌学者Donna Maneyは話す。彼女は現在、ホルモンが脳に作用する仕組みを解明するためのモデルに、ノドジロシトドを使って研究している。

ところが2011年に入って、TuttleとGonserがゲノム解析の手はずを整えていた頃、定期検診のマンモグラム検査で、Tuttleの片方の乳房にしこりが1つ見つかった。生検によって、それが浸潤性のがんであることが確認された。TuttleとGonserはショックを受けた(息子はまだ11歳だった)が、乳房切除とタモキシフェン投与でがんは食い止められたように見えた。Tuttleは、がんに人生を支配されてなるものかと前向きに研究を推し進めた。

二重の分割

この時点までにTuttleとGonserは、ノドジロシトドが2つ目の性染色体セットを進化させているとする説を思いついていた。「とっぴな思いつきでしたが、データに基づけば理にかなっています」と、ヴァージニア大学(米国シャーロッツビル)で進化的適応の分子基盤を研究している遺伝学者Alan Berglandは説明する。完全に機能する1組の性染色体の他に、配偶相手の選択という別の側面で種をさらに分割するもう1組の染色体を持つ種は、他に知られていなかった。

進化は、奇妙で不思議な性と、それらを決定するさまざまな方法をもたらした。爬虫類など一部の動物は、2つの性があるが性染色体は持たない。一方、淡水に棲む原生動物のテトラヒメナ(Tetrahymena thermophila)には7つの性があり、そのそれぞれは同性以外のどの相手とも交配できる。性が2つあって性染色体が1組というのが、最も広く見られる形で、何度も独立に進化してきた。しかし、1つの種が2組以上の性染色体を持てないとする理由はないのだと、Wilson Sayresは話す。「もし、2個の遺伝子が連鎖していて減数分裂の際に交差を作れず、その一方の遺伝子が性決定に関与していることが分かれば、新しい性染色体が見つかったといっていいでしょう」。

多くの哺乳類のXY染色体や鳥類のWZ染色体は、1対の相同な染色体の一方に大きな逆位が生じ、そうした逆位が遺伝物質の交換つまり「交差」を妨げた結果できたものだと考えられている。生じた逆位部分に存在する一連の遺伝子は、1つの大きな塊で遺伝する超遺伝子として振る舞う。Y染色体でもZ染色体でも、逆位によって、それぞれ雄もしくは雌になるのを決める1個の遺伝子の位置が変わった(鳥類の雄はZZ、雌はZWである)。交差によって変異が排除されないため、時間経過と共にY染色体やZ染色体には変異が蓄積していった。しかし、この過程は全てはるか昔に起こったため、どのような段階を踏んだのかを正確に突き止めるのは容易なことではない。

そこに光明をもたらしたのがノドジロシトドだ。第2染色体の逆位には、性的発育を決定する遺伝子は含まれていなかったが、繁殖行動に関与する遺伝子がいくつか含まれていた。これらの遺伝子は時間を経るうちに分岐していき、2つのモルフの差異が大きくなっていったのだ。「関与する遺伝子がどのようなものであれ、モルフ間の行動の差異は突き詰めればこの逆位までさかのぼるでしょう」とManeyは話す。

しかし、第2染色体が性染色体に似た進化をしていることを確実に示すためには、逆位部分にある遺伝子群が他の染色体の領域にある遺伝子群よりも高速で変異を獲得していることを明らかにする必要があると、TuttleとGonserは考えた。そうなれば、白色型と黄褐色型の2つのモルフが本当に非同類交配を行い、全てのつがいが白色型–黄褐色型の組み合わせであることを証明できるだろう。白色型–白色型の割合が少しでもあれば、逆位を起こした第2染色体は交差を生じることが可能だということになり、第2染色体が性染色体のように振る舞うとする説は揺らぐ。TuttleとGonserは、多くの個体のゲノム塩基配列を解析し、親子関係を明らかにし、逆位部分とゲノムの残り部分の変異率を比較する必要があると考えた。

解読すべきDNAを入手することは簡単だった。Tuttleは何年もかけて数千羽の個体から血液を採取していて、数台の冷凍庫がすでに満杯になっていたからだ。しかしここにきて、別の生物学的問題が行く手に立ちはだかった。

2013年の秋、Tuttleは慢性の咳に悩まされ、主治医の診察を受けた。彼女は気管支炎だろうと思っていたが、がんが再発して肺にまで転移していることが分かった。腫瘍のゲノム解析から、彼女の原発がんは複数の細胞型のモザイクであることが明らかになった。タモキシフェンはホルモン感受性のがん細胞を抑制できていたが、非感受性のがん細胞は生き延びていたのだ。Tuttleはさらに化学療法を受け、がんは抑制された。

湖への最後の旅

ノドジロシトドの研究に生涯を捧げたElaina Tuttle。 | 拡大する

INDIANA STATE UNIV.

2015年の夏、TuttleとGonserのチームは必要な生態学データと遺伝学データのどちらも集め終わり、意義深い論文の仕上げに取りかかっていた。そのとき、定期検査の画像診断で、Tuttleの腫瘍がまた大きくなっていることが分かった。Tuttleは、化学療法の合間を縫ってテレホートから13時間かけてクランベリー湖へ車で出かけた。「我々は彼女が病気であることを知っていましたが、実際どのくらい悪いのかは知りませんでした」と、大学院生のLindsay Forretteは振り返る。次第に、Tuttleに残された時間的猶予は厳しいものになっていった。「我々は皆、彼女はがんを克服してくれるだろうと思っていました。そして、そうではないことを最終的に知ったときには……」。そう言ってGonserは声を詰まらせた。もう二度とクランベリー湖に戻れないと分かったとき、Tuttleは泣き崩れたという。

2016年1月に、第2染色体が性染色体と同じような進化をしていることをはっきり示す論文が、Current Biologyに掲載された。白色型–白色型と黄褐色型–黄褐色型の交配例はごくまれだった。50個体の全ゲノム塩基配列を使うことで、逆位部分にある遺伝子群が、ゲノムの他の部分にある遺伝子群よりもはるかに速く変異を獲得していることが明らかになった。これは、ヒトや鳥類における性染色体の進化とそっくりのパターンだ。

Tuttleは論文のプレスリリースで、「これはおそらく、私が書いた論文の中で最高のものです」と述べた。結果的に、彼女の最後の論文にもなった。2016年の春が来て、彼女の体調は悪化した。しかし、亡くなる5日前でもTuttleは病院のベッドから出て、新しい論文を執筆したり、大学院生のデータ解析に助言したりすることに余念がなかった。彼女は6月15日に亡くなった。GonserがTuttleの死を公表すると、世界中から弔意のメッセージが届いた。「彼女を知る者は皆、彼女のことが好きでした。誰からも好かれる人だった」とGonser。

Tuttleは大きな遺産を残していった。そこから浮かび上がるのは、この染色体システムが最終的に消滅する運命なのかどうかといった疑問だ。Balakrishnanによれば、このシステムは持続不可能だという。「4つの性を持つシステムが決して見られないということは、そうしたシステムが進化的に不安定であり、それらの対立遺伝子の1つが最終的に消滅に至るということです」。性が4つあるシステムだと、それぞれの性の個体は配偶相手を見つけるのがより難しくなる(例えば白色型の雌は、単なる雄ではなく黄褐色型の雄を見つけなければならない)。そのため、選択は2つの性を持つシステムの方に有利に働くことになる。Balakrishnanは、ノドジロシトドを使って、2つ目の性染色体セットの進化を最初に促した遺伝要因や環境要因をさらに解き明かしていくつもりだ。

Gonserは今後もクランベリー湖に通い続けるだろう。彼の研究グループは、ノドジロシトドの行動(配偶相手の選択から子育てまで)をどの遺伝子が支配しているのか、また、そうした形質が逆位によってどう影響を受けたのかを解明したいと考えている。彼らは現在、デジタル地図や衛星データを利用して、営巣地のチャート作成や標識を付けた個体の追跡、より情報の豊富な行動データセットの構築を進めている。「ノドジロシトドにはまだたくさんの情報が隠されています」とGonserは話す。「それらの秘密の解明に我々が取り組むことを、Elainaはきっと喜んでくれるでしょう」。

(翻訳:船田晶子)

Carrie Arnoldは(米国バージニア州リッチモンド近郊に在住のライター)。

参考文献

  1. Tuttle, E. M. et al. Curr. Biol. 26, 344–350 (2016).
  2. Thorneycroft, H. B. Science 154, 1571–1572 (1966).
  3. Tuttle, E. M. Behav. Ecol. 14, 425–432 (2003).
  4. Romanov, M. N., Dodgson, J. B., Gonser, R. A. & Tuttle, E. M. BMC Res. Notes 4, 211 (2011).

キーワード

Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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