マメ科植物の進化におけるP450

大豆に含まれるイソフラボンが健康によいといわれている。このイソフラボンはフラボノイドの一種であり、フラボノイドは植物に広く存在している。例えば、色素として著名なアントシアニンなどが上げられるが、色素としての作用以外にもフラボノイドは菌性寄生生物や病原体に対する予防効果、あるいは酸化ストレスに対する防御効果を持つと言われている。イソフラボノイドは通常２位に結合しているアリール基が３位に結合しているフラボノイドであり*1、これが存在している植物種は限定されている。イソフラボノイドを持つ植物種の多くはマメ科植物である*2、3。

マメ科植物の持つイソフラボノイドの中にはphytoalexin（注1）として作用があることが知られている。これは他のフラボノイドにも共通する植物の生体防御効果の一種だと思われる。しかし、これだけではなく、マメ科に特徴的な根粒菌を根に誘引する物質がイソフラボノイドの一種であることも明らかにされている。
マメ科植物におけるイソフラボノイド類産生の出発基質は(2S)-フラバノンであり、マメ科特有のシトクロムP450分子種であるCYP93C2による触媒反応によってアリール基が転移され、2－ヒドロキシイソフラバノンが生成される(参考文献１、Fig.1参照）。

シトクロムP450（P450）は動物、植物、細菌と生物界に広く分布するモノオキシゲナーゼである。非常に多くの分子種が存在し、進化過程の早い段階で祖先遺伝子が生まれ、そこから分岐していったと考えられている。現在P450はアミノ酸配列の相同性に基づいて分類されており、40%以上相同のものをファミリー、55%以上相同のものをサブファミリーとして区分している。この分類に従うと、例えばCYP1A1と記載されることになる。
動物においては肝臓、副腎、生殖腺、脳など多くの臓器に分布しており、その生理的作用は、xenobiotics代謝、ステロイドホルモン産生、ビタミンD産生、プロスタグランジン産生と非常に多様である。植物ではオーキシンやジベレリン産生などに関与することが知られている。細胞内ではミトコンドリアと小胞体に局在している。
P450は約500のアミノ酸残基からなり、活性中心にプロトヘムを持つヘム含有タンパク質の一種である。ヘムの第5配位座がシステイン残基を介してタンパク部分と結合している。第6配位座には水が配位しており、P450への基質の結合によりここに分子状酸素が結合できるようになる。P450はその反応に2つの電子を要求する。おもな還元力はNADPHであり、小胞体ではこれはP450還元酵素を介して与えられる*4。

CYP93C2を含むCYP93CファミリーはCYP93ファミリーに含まれ、非マメ科植物に広く分布するフラボン合成酵素、CYP93Bファミリーと相同性が高い(参考文献5、Fig. 6）。先祖型のフラボン合成酵素活性を持つ P450 より現存の CYP93B が生じる一方，遺伝子重複といくつかのアミノ酸残基を含む変異の蓄積によりCYP93Cが生じたと考えられている*1、5。
また、CYP93C2はタンパク分子的に不安定であることが示されている。これはおそらく、アリール基が転移といった大きな変化を触媒するために、binding pocketが他のP450分子種よりも広いためだと考えられている。このような分子的不安定性といった進化的に不利な条件を持っているにもかかわらずCYP93C2分子が淘汰されなかったということは、CYP93C2によって産生されるイソフラボノイドの持つ生理活性、すなわち生体防御や共生などに関与する生理活性が、生存において有利であったためであろうと考えられている。CYP93C2は一酵素の遺伝子の変異が共生という現象を生み出す原因の一つとなったという例でもあり、進化という面から見ても非常に興味深い酵素である。

注1：植物が病原菌の感染を受けたときに新たに生合成される低分子量（分子量が100～500ぐらいのものが多い）の抗菌活性物質

1：http://www.brs.nihon-u.ac.jp/~bunshi/youshi3.html
2：http://www.kamoltd.co.jp/kyokai/No28/iwasina.html
3：Sawada Y, Kinoshita K, Akashi T, Aoki T, Ayabe S. Key amino acid residues required for aryl migration catalysed by the cytochrome P450 2-hydroxyisoflavanone synthase.
Plant J. 2002;31:555-64.
4：大村恒雄・石村巽・藤井義明 編、「P450の分子生物学」講談社サイエンティフィク(2003)
5：Sawada Y, Ayabe S. Multiple mutagenesis of P450 isoflavonoid synthase reveals a key active-site residue. Biochem Biophys Res Commun. 2005;330:907-13.

ヌクレオチド置換型突然変異の頻度

DNA分子は同じ生体構成成分であるタンパク質と比較して物理化学的に安定であると言われている。しかし、実際には遺伝子コードそのものである塩基部分はそれほど安定ではない。
DNAの損傷マーカーの１つに8-OH-デオキシグアノシン（8-OHdG）が上げられる。これは活性酸素やUVによってグアニン塩基が損傷を受けて生じるものであるが、この塩基はグアニンが通常ペアーを作るシトシンの代わりにアデニンとペアーを作ってしまうことがあることが知られている*１。そのためこの損傷は突然変異の原因の１つであるが、自然状態でもこの8-OHdGは塩基あたり1×10^-6個存在することが知られている。ヒト遺伝子DNAの全ヌクレオチド数はおよそ3×10^9であるから、核DNA分子中に3×10^3個の変異が常に存在し、修復されていることになる。8-OHdGの他にも同様の突然変異の原因である水酸化塩基として2-OH-デオキシアデノシンなどが知られている。これらの存在頻度は8-OHdGと比べて低い。細胞内は多くの刺激により様々な異常が生じているが、それらは多様な修復機構の存在により安定に保たれている。同様に核DNAも破損しても常に修復されることにより、安定にみえているのに過ぎない。

むろんこの修復にも限界があり、変異がそのまま残る場合も少なくない。体細胞であれば、これはがんの原因のひとつであることは間違いないが、子孫に遺伝することはない。しかし生殖細胞であれば遺伝する。過去の研究により、世代あたりのヌクレオチド置換型突然変異の頻度は１×10^-8であることがわかっている。この値は先程の8-OHdGの頻度と比べるとかなり低い。これはほとんどの変異が修復されていたり、変異DNAを持つ細胞が何らかの手段で排除されたり、あるいは変異を持った個体が発生途中あるいは誕生直後に致死に至るなどの理由で子孫に遺伝しなかったことを意味している。また、すでに見つかっているのかもしれないが、生殖細胞には体細胞にはない変異防御機構が存在することも考えられる。

この世代あたりのヌクレオチド置換型突然変異の頻度より、親と子供間のヌクレオチド突然変異数はおよそ30であることが算出される。このほとんどは中立変異であると予測される。放影研によって、電気泳動の移動度に変化を生じさせる突然変異の遺伝子座あたりの割合は、世代あたり約0.5×10^-5である*2ことが報告されている。ヒトの遺伝子は約30,000個と言われており、このことからタンパク質のアミノ酸配列に変化を与える、すなわち形質に影響を与える変異は、世代あたり約0.3となる。つまりおよそ3組に１組の親子間で形質に影響を与える変異が起こっている計算になる。これほどの高い確率で表現型に影響を与える変異が起こっているのならば、大部分は中立かほぼ中立あるいは不利な変異であったとしても、集団としてみた場合、中には生存に有利な変異も起こることは容易に想像できる。むろんこの数値は集団内への固定確率とは全く異なるものであるが、遺伝子レベルでは進化という現象は常に起き続けていると考えてよいと思われる。今回はヌクレオチド置換型突然変異のみ考慮しているが、他にも遺伝子そのものの重複など様々な変異などがあり、むろんこれらの影響も大きい。

ごく最近Nature誌にダーウィンフィンチの進化に関してマイクロアレイ法を用いて解析を行った研究が報告されている*3。著者らは、７種のフィンチを用いて、その発生途中のくちばし原基において発現しているmRNAを解析している。その結果、カルモジュリンがくちばしの伸長に影響を与えていることが見いだされた。同じ著者らの過去の研究結果と併せて、フィンチのくちばしの形成にはカルモジュリンとBMP4（bone morphogenetic protein 4）の両者が大きく関与していることが示されている。これらの発現系の調節系といった、さほど大きな変異があるとは思えない変異によって、形態が大きく影響を受け、種としての違いが生じていることは非常に興味深い。

１：Cheng KC, Cahill DS, Kasai H, Nishimura S, Loeb LA. 8-Hydroxyguanine, an abundant form of oxidative DNA damage, causes G----T and A----C substitutions. J Biol Chem. 1992;267:166-72.
２：http://www.rerf.or.jp/nihongo/radefx/genetics/bloodpro.htm
３：Abzhanov A, Kuo WP, Hartmann C, Grant BR, Grant PR, Tabin CJ. The calmodulin pathway and evolution of elongated beak morphology in Darwin's finches. Nature. 2006;442:563-7.

種分化について

進化において、種形成がどのような機構で起こっているか、といった問題は重要である。当然ではあるが、この問題に関しても研究は進められている。その一例が、平成14年度発足特定領域文部科学省科学研究費補助金「特定領域研究」種形成の分子機構（領域代表者　岡田典弘（東京工業大学大学院生命理工学研究科　教授）））である*１。
この研究の概要を読めば、「種形成の分子レベルでの機構解明」といった研究が現実に行われていることがわかる。この中には、A05のように、人工的に倍数体を導入することにより種分化を引き起こす研究が含まれている。進化否定論者の中に、「種内の進化は認めるが種分化すなわち新しい種が生じるような進化の実例は認められない」、といった考えを持つものがいるが、それが誤りであることがわかる。

次に、種分化における正の選択例について最近の研究に触れてみる。
これは宮田隆を研究代表者とする文科省科研費による研究である「生物多様性の分子生物学」の中の、岡田（東工大）らによる「ビクトリア湖に棲息する魚類シクリッドの多様性と種分化の分子機構」からの抜粋である。

（引用開始）
シクリッドとはカワスズメ科魚類の総称で世界の熱帯域に広く分布している。しかしそれらの種の約７割。千数百種はアフリカのたった３つの湖に生息し、この種数は世界に生息する全淡水魚の10％にも及ぶ。
（中略）
これまでに私達のグループではヴィクトリア湖のシクリッドの遺伝的背景を種々の分子マーカー（SINEｓ：短い散在性の反復配列、核DNA、ミトコンドリアDNA）を用いて調べてきた。その結果、ヴィクトリア湖のシクリッドすべての種において一つの種で見られる種内の中立的な核DNAの変異の多型は他の種でも保持されていること、つまり種特異的な中立的な変異が見いだされないことを明らかにしてきた。これは短期間に種分化を起こしたため中立的変異が固定していないまま種が分かれたためだと考えられる。またこれらの中立的な変異は100万年以上も前から河川の祖先種の集団において蓄積されてきた。このような遺伝的背景からはヴィクトリア湖のシクリッドはまだ種として未熟であり分化しきれていないように見えるが、しかしこれらの種は形態的、生態的には種として確立している。これらのことからヴィクトリア湖のシクリッドにおいて形態の形成や生態に関与し、かつ種の分化、形成にも関与した遺伝子の変異は強く正の選択を受けてきて種内にその変異が固定され種特異的な置換になっていると考えられる。
（以下略）

ここに報告されているように、中立的変異の固定は正の選択を受けて固定される場合よりも遙かに世代数が必要だ。ヴィクトリア湖のシクリッドは自然選択の例としてしばしば研究対象として報告されている。
なお、この研究に関しては岡田教授の研究室のサイト*2において、特定領域研究の研究例としても紹介されている。
さて、このような中立である場合や正の淘汰がある場合の固定確率は集団遺伝学的にはどのように扱われているのだろうか？これについては後に議論してみる。

余談ではあるが、最初に述べたとおりこの研究は「生物多様性の分子生物学」というテーマではじめられた大きな研究の一部である。その研究内容は３を参照していただけるとわかる。
彼らの研究内容をみればわかるとおり、種以上の進化、いわゆる大進化に関する分子進化的研究も盛んになされている。この研究状況をみれば、進化否定論者がしばしば引き合いに出す「大進化に関する証拠がない」といった意見は、単にその発言者が知らないだけであることがわかる。

１：http://www.evolution.bio.titech.ac.jp/tokutei.html
２：http://www.evolution.bio.titech.ac.jp/
3：http://www.biophys.kyoto-u.ac.jp/shin-pro.html

眉村卓2

眉村卓は多数のジュブナイル作品を書いている。最も初期の作品である「なぞの転校生」は、学研の中二コースに連載され、「侵された都市」とともに1967年に盛光社より「なぞの転校生」としてB6版で出版された。他のジュブナイル作品と同様に、1975年に秋元書房から文庫版が出版され、さらにこれも他の眉村作品と同様に角川文庫に収められている。次の書籍は1968年に秋元書房より出版された「天才はつくられる」であるが、これが秋元文庫に収録されたのは1974年で「なぞの転校生」よりも早い。同時期に出版された「二十四時間の侵入者」は最初から秋元文庫から出されており、「天才はつくられる」と同時出版かあるいは少し遅れて出版されている。その後、よく知られているように秋元文庫からは光瀬龍や福島正実、草川隆など多数作家によるジュブナイル小説が出されている。なお、私の知る限りこれら作品の挿し絵は依光隆が担当している。

よく知られているとおり、「なぞの転校生」はＮＨＫ少年ドラマシリーズとして放映されている。ＮＨＫ少年ドラマシリーズは、おそらく筒井康隆原作「時をかける少女」のドラマ化作品「タイムトラベラー」が最も著名な作品だと思うが、眉村作品も著名なものが多く、全部で4作がドラマ化されている。ただしこの中の「未来からの挑戦」は後に角川映画で有名になる「ねらわれた学園」と「地獄の才能」の2作を原作としている。
ＮＨＫ少年ドラマシリーズは録画テープが貴重であった時代であるために放映後重ね取りをしてしまったなどの様々な理由で作品が失われている例が多いが、なかには視聴者が家庭用のビデオに録画してあったなどのため、現存しているものもある。それらのいくつかの復刻作品がDVD版で販売されていることはすでによく知られていることだろう。

眉村卓のジュブナイル作品は学校を舞台とした侵略ものが多く、いくつかの作品では、設定が同じであるとか、作品間の見分けがつかないといった批判もあるようである。しかし、一般誌ではなく、ましてやSF専門誌でもない、中二コースや中三時代のような特殊な雑誌にもともと連載していたことを考慮すれば致し方ないことかもしれない。
これらのジュブナイル作品の中で私の好きな作品は「まぼろしのペンフレンド」である。この作品も少年ドラマシリーズ化されているが、「ねらわれた学園」などの作品とはかなり趣が異なっており、何ともいえない読後感を与えてくれる。久しぶりに読み直したのだがやはり優れた作品である。なお、ドラマでは池上季実子が出演しており、これは彼女のデビュー作である。テーマ曲は広瀬量平の作曲である。

大進化と小進化

進化論の専門家が大進化と小進化についてどのように考えているかみてみる。
進化に関して語る場合、しばしば引用されているサイトである河田先生の「はじめての進化論」*1、この中の「第5章　大進化の機構」にそって述べてみる。

「1―生殖隔離と種分化」において、下記のように大進化と小進化に関する定義付けが行われている。
・生物の性質が変化して集団に広まっていくことであった。進化論では、しばしばこれを「小進化」と呼ぶ。
・新しい「種」や「属」が生じたり絶滅したりするプロセスを、「大進化」という。

そして、両者を区分して呼ぶ理由として、「集団内の生物個体の性質の変化である小進化のプロセスでは、新しい「種」の形成などの大規模な進化を説明することができないと考える人がいるからだ。」と記載している。
つまり、大進化は小進化とは異なった機構によって起こるということであろう。
しかしながら、現段階の研究では、下記のように両者を説明するのに異なった機構を持ち込む必要はないと河田先生は述べている。

「突然変異、発生、頻度変化、置換のプロセスで説明のつく適応進化や非適応進化に分岐プロセス（二章参照）を考慮することにより、「新しい種の出現」という大進化も説明できるものと思われる。」

すなわち、大進化と小進化といった区分は過去のものであり、進化の機構に関する様々な知見が得られている現段階では、両者を区分することに学術的意義を見いだすことはできないと言えるだろう。

１：http://meme.biology.tohoku.ac.jp/INTROEVOL/index.html