失った能力をウナギはどうやって取り戻したのか

海と川を行き来するウナギは、体の中の水分やイオンを巧みに調節しながら生きています。その働きを支えているのが、「アクアポリン」と呼ばれるタンパク質です。アクアポリンは細胞の膜にある小さなトンネルのような構造で、水やさまざまな物質を通しています。

アクアポリンにはいくつかの種類がありますが、そのうちの1つが「アクアポリン10（Aqp10）」です。一般的な魚類は、Aqp10として、「さまざまな物質を通せるタイプ（Aqp10.1）」と「限られた物質だけを通すタイプ（Aqp10.2）」の２つを持っています。

ところが、進化の過程でウナギの祖先は、「さまざまな物質を通せるタイプ」のAqp10.1を完全に失って、Aqp10.2だけを持つようになりました。たとえば、同じウナギの仲間のアナゴなどでは、「限られた物質だけを通すタイプ」のAqp10.2がゲノムに1つ残っているだけです。

それなのに、ニホンウナギやヨーロッパウナギでは、残されたAqp10.2がゲノムの中でさらに複数に増えて維持されています。なぜニホンウナギやヨーロッパウナギは、同じような遺伝子を複数持ち続けているのでしょうか？ この疑問に答えるため、東京科学大学（Science Tokyo）の永嶌鮎美（ながしま・あゆみ）助教らの研究チームは、ウナギが持つ複数のアクアポリン遺伝子の働きを詳しく調べました。

研究チームは、ウナギ属のゲノムで増えて維持されていた複数のAqp10.2遺伝子を一つずつ比較しました。そこで、Aqp10.2遺伝子を３種類持つヨーロッパウナギに注目し、それぞれの性質を比較しました。その結果、これら3種類のうち、重複によって新しく加わっていた2つの遺伝子が尿素やホウ酸をよく通すことを発見しました。つまり、ただ同じ機能の遺伝子の数が増えたというわけではなく、増えた後に「さまざまな物質を通す能力」を持つ遺伝子へと変化していたことがわかりました。

では、これらの遺伝子からできるタンパク質には、どのような構造の変化が起きていたのでしょうか。詳しく調べると、タンパク質を構成するアミノ酸のうち、特に重要な1か所が変化していることがわかりました。通常は「チロシン」というアミノ酸がある場所が、「グリシン」に置き換わっていたのです。チロシンに比べてグリシンは分子のサイズが小さいアミノ酸です。このアミノ酸１カ所のサイズの違いによってアクアポリンのトンネルの通り道が広がり、水やグリセロールだけでなく、尿素やホウ酸も通せるようになっていました。

この研究によって、ウナギの祖先で一度失われた機能が、ゲノムに残された別の遺伝子の重複とアミノ酸の変化によって結果的に再度獲得されたことが明らかになりました。さらに、その性質の変化をもたらしたのが、アミノ酸たった1か所の置き換わりだったことも突き止められました。

今回の研究は、ゲノムのなかで遺伝子の重複と偶然の変異が重なることで、新たな機能が維持され得るというプロセスを、ウナギを例に実証した事例です。

また、アクアポリンの特定のアミノ酸配列を確認するだけで、そのタンパク質がどのような物質を通過させるのかを予測できる可能性も示されました。

将来的には、ウナギが海水と淡水という異なる環境を往来できる高度な生理調節の仕組みを、分子レベルで紐解くことにもつながる可能性があり、魚類の環境適応研究や水産科学のさらなる発展に貢献すると考えられます。

一度ゲノムから失われた遺伝子が、時計の針を巻き戻すように元通りに復元されることはありません。しかし生命のゲノムは、がっちり固定された不変のものではなく、遺伝子が生まれたり、死んだりするという変化が繰り返されています。

今回のウナギの研究は、ある遺伝子が失われたあとに、残された別の遺伝子が重複し、たった1つのアミノ酸の変化をきっかけに新たな役割へと分岐していく、その進化の軌跡を分子レベルで明らかにしたものです。

多様な生き物たちのゲノムを比較してみると、そんなドラマが他にもたくさん見つかるはずです。様々な生き物たちが今そこに生きている背景にある、遺伝子の「誕生と死滅」の連鎖に、ぜひ思いを馳せてみてください。

（永嶌鮎美：東京科学大学 生命理工学院 生命理工学系　助教）

「みんなの科学ニュース」は、Science Tokyoの最先端の科学研究と未来につながる取り組みや可能性を紹介しています。

「みんなの科学ニュース」の最新記事を読む