研究紹介

市橋グループ  PI: 市橋 伯一 准教授 (生命機能研究科兼任)

研究内容

私達のグループでは、人工細胞をつくることで生命の起源と進化の謎を解明することを大きな目的に掲げています。

近年の分子生物学の発展は目覚ましいものがあります。 最も単純な生物である細菌であれば、ほぼすべての遺伝子の機能が明らかになっています。 しかし、未だ人類はその最も単純な細菌ですら人工的に構築することができません。 これは私達の生命に対する理解は未だ十分ではないことを意味しています。 なぜ細胞をつくることができないのでしょうか? 私達はいったい何を理解していないのでしょうか? これらの疑問に答える唯一の方法は実際に細胞をつくってみることだと考えています。 これは、作ってみることにより対象を理解するという新しいアプローチです。

私達のグループでは、現在、以下の3つのテーマに取り組んでいます。

  1. 進化する人工細胞の構築
  2. 再帰的に自己複製する人工細胞のデザインと構築
  3. 構築した人工細胞モデルを用いた応用研究

1.進化する人工細胞の構築

人工細胞を構築するに当たり、まず私達は生物の持つ「進化する能力」に着目しました。進化する能力は、非生物とは異なる生物の大きな特徴です。 生命の起源において、有機物質が集合しこの進化する能力を獲得したために、現在見られるような複雑で精巧な細胞が生まれたと言われています。 もしこの考えが正しいとすると、試験管内で進化する能力を持つ化学反応システムを人工的に作り上げることができれば、そのシステムは生物のように進化するはずです。 つまり、一度進化するものさえ作ってしまえば、あとは勝手に進化していって現在の生物のような細胞になるのではないかと期待したわけです。

この仮説を検証するために、私達のグループでは、進化する人工システムを構築しました。 このシステムはRNA複製酵素遺伝子をコードした1本鎖RNA(人工RNAゲノム)と再構成された大腸菌の翻訳システムがマイクロスケールの油中水滴(エマルション)あるいは脂質2重膜小胞(リポソーム)に封入されたものです。 エマルションのシステムでは、餌となる翻訳タンパク群を持つ水滴を定期的に加えて撹拌するだけで、ゲノムRNAが再現なく自己複製し、複製エラーにより変異を導入した結果、自発的に進化することを示しました(図1, Ichihashi et al 2013)。

当初は特に細胞を意識したわけではなく、とにかく進化する反応システムを作ろうとしたのですが、興味深いことに、進化する能力を達成するためには細胞のような区画構造が必須であることがわかりました(Ichihashi et al 2013)。 またこの人工システムは遺伝子を1つしか持たないにもかかわらず、ある程度幅広い環境に適応進化できることも明らかになっています(Mizuuchi et al 2015, 2016)。

それでは当初の期待どおり、この進化する人工システム(人工細胞モデルと呼んでいます)は生物のように進化したのでしょうか?  興味深いことにそうはなっていません。上記のシステムは約600世代を経ると進化を停止させてしまいました。 この結果は、ただ進化する能力を持てば生物のようになるわけではないことを示しています。 この人工系と生物の進化能力には何か違いがあることを示唆しています。 どうやったら天然の生物のように、際限なく複雑で精巧なシステムを進化させることができるのでしょうか?この進化の謎を解き明かすために現在は以下のような3つの課題に取り組んでいます。

1-1.寄生体との共進化

自然界の生物は、常にウイルスなどの寄生種との生存競争にさらされていると言われています。 このような寄生種が進化を加速させている可能性を検証するために、人工細胞モデルに自然発生する寄生RNA(なんと人工細胞にも寄生体が自然発生します)との共進化実験を行っています。 これまでに寄生体RNAと宿主となるゲノムRNAの濃度が、自然界の捕食-被食者の個体数で見られるような振動ダイナミクスを示すこと、そしてその振動パターンが宿主の進化により変化することを明らかにしました(図2, Bansho et al 2016).

1-2.複雑性の進化

複雑性を進化させる条件を明らかにするために、人工ゲノムRNAに新たな遺伝子をコードさせて、複製システムを段階的に複雑化させようとしています。これは約40年前にManfred Eigenが提唱したHypercycleモデル(Eigen 1978)の実験的な検証になっています。

1-3.1本鎖RNAゲノムから2本鎖DNAゲノムへの進化

これまでに私達の研究から、1本鎖RNAゲノムの場合、その塩基配列はコードする遺伝子に影響するだけではなくゲノムの構造にも大きな影響を与えることを明らかにしました(Usui et al 2015)。 このことは、1本鎖RNAをゲノムとして使っている限り、可能な進化経路に制限がかかっていることを示しています。 もしかすると、この制限を回避するために全ての生物はDNAをゲノムとして採用しているのかもしれません。 この仮説に基づいて、現在の1本鎖RNAゲノムから2本鎖DNAゲノムへの進化を実験的に達成することを試みています。

2.再帰的に自己複製する人工細胞のデザインと構築

生物のもう一つの特徴は再帰的な自己複製があります。 全ての生物、それを構成する細胞は自分とほぼ同じものを再合成することができます。このような再帰的自己複製能力をもつ試験管内システムの開発を行っています。
現在は以下のテーマに取り組んでいます。

2-1.DNAゲノム複製システムの開発

これまでに私達のグループでは最も単純な例として1本鎖RNAゲノム複製システムを開発しましたが、より多くの遺伝子をコードし、変異率も低いDNAゲノムの複製システムを構築しています。 これまでにphi29 DNA polymerase遺伝子を用いてrolling cycle型の複製システムを構築しました(図3、Sakatani et al 2015)。 現在はこの反応を再帰的にすることに取り組んでいます。

2-2.リボソームの試験管内再構成

現在までの人工細胞モデルでは、翻訳システムは大腸菌から精製したものを供給しています。 人工システムが自己再合成をするには、翻訳システムを自ら合成できなくてはいけません。 その中でも最も大きなハードルはリボソームの再合成です。 現在は、リボソーム再合成を目指して、30S サブユニットの再構成と人為進化により改良する方法を開発しています(図4)。 また、リボソーム以外の翻訳タンパク質については、ほとんどのアミノアシルtRNA合成酵素は再合成できることを示しています(Awai et al 2015)。

3.構築した人工細胞モデルを用いた応用研究

3-1.リボソーマルRNAの人為進化手法の開発

1.2で構築した人工細胞モデルは、生命がどのようにその機能を獲得したかを理解することに貢献しますが、人工細胞を使って進化させることにより、タンパク質やRNAの人為進化手法として応用ができます。 人工細胞モデルを使うことにより、これまでのように大腸菌を通す必要がなくなり、完全に試験管内のみでの人為進化が可能になります。 これはrRNAなど、変異体が細胞にとって有害なものの人為進化に有効です。 現在、リポソーム内30S リボソーマルサブユニットの再構成と人為進化手法を用いて、より再構成しやすい16s rRNA、あるいはタンパクサブユニットを必要としない16s rRNAの開発を行っています(図4)。

3-2.進化が起こる仕組みの解明

人工細胞を使った進化の利点の一つは、すべての成分が明らかになっていることがあります。天然の細胞には未だ不明な点が多く残っています。そのため、例えある突然変異が細胞の進化を引き起こしていることがわかったとしても、 なぜその変異が細胞の生存や増殖に有利に働くかについては、良くわからない場合が多くあります。したがって、なぜその変異によって進化したのか、他の可能性はなかったのか等、疑問は残り続けます。これに対し、人工細胞ではすべての成分は既知であり、それぞれがどの程度に人工細胞(正しくはゲノムRNAの複製)に寄与しているかが数理モデル化されており、全てわかっています。
さらに人工細胞の進化は試験管内で起こります。したがって、進化の1ステップ1ステップをすべて観察することができます。これにより、これまでにない解像度で進化過程を解析することができるようになりました。実際に、次世代シーケンサーを用いて進化過程を解析してみたところ、これまでに考えられていたような、「時々良い突然変異が出現して急速に集団内に広まっていく」のではなく、「同じくらい良い変異が同時に多数出現し、それらが競争しながら集団内に広がっていく」というこれまで予想されていなかったような過程を取りました(図5, Ichihashi et al 2015)。

そしてもっと細かい過程を解析してみると、進化の過程は、変異によって集団内の多様性が広がるステップと、自然選択により多様性が消費されるステップを繰り返していることを明らかにしました(図6, Ichihashi et al 2015)。これはまさにダーウィンが種の起源で主張していた進化の原理である「多様性と自然選択」が試験管内で起きていることを示しています。

参考文献

    論文

  1. Mizuuchi, R., Ichihashi, N.*, Yomo, T. (*corresponding)
    Adaptation and diversification of an RNA replication system under initiation- or termination-impaired translational conditions
    Chembiochem, 17, 1229-1232 (2016)
  2. Bansho, Y., Furubayashi, T., Ichihashi, N.*, Yomo, T.* (*co-corresponding)
    Host-parasite oscillation dynamics and evolution in a compartmentalized RNA replication system
    Proc Nat Sci USA, 113, 4045-4050 (2016)
  3. Usui, K.*, Ichihashi, N.*, Yomo, T. (*equally contributed)
    A design principle for a single-stranded RNA genome that replicates with less double-strand formation
    Nucleic Acids Research 43, 8033-8043. (2015)
  4. Awai, T., Ichihashi, N., Yomo, T.
    Activities of 20 aminoacyl-tRNA synthetases expressed in a reconstituted translation system in Escherichia coli
    Biochemistry and Biophysics Reports 3, 140-143. (2015)
  5. Sakatani, Y., Ichihashi, N., Kazuta, Y., Yomo, T.
    A transcription and translation-coupled DNA replication system using rolling-circle replication
    Scientific Reports 5, 10404. (2015)
  6. Mizuuchi, R., Ichihashi, N., Usui, K., Kazuta, Y., Yomo, T.
    Adaptive evolution of an artificial RNA genome to a reduced ribosome environment
    ACS Synthetic Biology 4, 292-298. (2015)
  7. Ichihashi, N., Usui, K., Kazuta, Y., Sunami, T., Matuura, T., Yomo, T.
    Darwinian evolution in a translation-coupled RNA replication system within a cell-like compartment.
    Nature Communications, 4, 1-7, (2013)
  8. Ichihashi, N., Usui, Aita, T., Motooka, D., Nakamura, S., Yomo, T.
    Periodic Pattern of Genetic and Fitness Diversity during Evolution of an Artificial Cell-Like System
    Molecular Biology and Evolution 32, 3205-3214. (2015)
  9. 総説

  10. Ichihashi, N., Yomo, T.
    Constructive approaches for understanding the origin of self-replication and evolution
    Life, 6(3), 26 (2016)
  11. 市橋伯一、四方哲也
    人工細胞モデルとダーウィン進化
    生物工学 2015年 第10号 第93巻 7-10
  12. 市橋伯一
    生命は如何に進化しうるのか‐合成生物学的アプローチ
    極限環境微生物学会 13, 59-62 (2014)
  13. 市橋伯一、四方哲也
    人工細胞のデザインと構築
    高分子 6月号 63巻 376-378 (2014)
  14. Ichihashi, N., Matsuura, T., Kita, H., Sunami, T., Suzuki, H., Yomo, T
    Constructing partial models of cells.
    Cold Spring Harbor Perspective in Biology 2, a004945 (2010)
  15. 市橋伯一、四方哲也
    人工細胞:生命を深く理解するために
    科学 80, 740-742 (2010)
  16. 市橋伯一
    進化する自己複製システムの構築にむけて
    生物物理 50, 128-129 (2010)