細菌の「跳ぶ遺伝子」が、獲物にした別種の微生物の死んだ細胞から見つかった

編集・パクト

捕食細菌の跳ぶ遺伝子のRNAが、獲物の死細胞の中に

「跳ぶ遺伝子」は、細菌や植物、動物、ヒトの遺伝物質にすみつく動く遺伝要素だ。細胞の中でゲノムの別の場所に入り込み、細胞に新しい性質を与えることがある。

遺伝子の系統解析から、種を越えて移ったことがあるのはわかっているが、そのときはウイルスやプラスミドに乗って運ばれると考えられてきた。

マックス・プランクの発表によると、イントロンという跳ぶ遺伝子のRNAが細胞の外で観察されたことは、これまでなかったという。

ドイツ・ブレーメンにあるマックス・プランク海洋微生物学研究所のイェンス・ハーダー氏らの研究チームは、ある細菌が持つ「グループIイントロン」という跳ぶ遺伝子のRNAを、別の種類の微生物である古細菌の死んだ細胞の中で、蛍光顕微鏡で捉えた。

実験室で育てている微生物の集まり(集積培養)を調べた研究で、自然の環境で調べたものではない。

イントロンを持つ細菌はCandidatus Velamenicoccus archaeovorusといい、ほかの細胞の表面にくっついて暮らす、ごく小さな捕食性の細菌だ。

獲物はMethanothrix soehngeniiという糸状の古細菌で、発表はこれを地球で最も重要なメタン生成者と紹介している。

論文は2026年5月、学術誌Scientific Reportsに掲載された。

論文が示したのは、イントロンのRNAが別の種類の細胞に入り込めるということで、そのRNAが獲物のゲノムに組み込まれたところまでは確かめていない。

著者らは、この観察を、別の種への転移(水平伝播)が起きるための前提条件と位置づけている。

ウイルスやプラスミドを介さない経路の可能性

論文によると、細菌などのイントロンが新しい宿主に広がるには、運び屋(ベクター)が必要だと考えられてきた。

グループIイントロンでは細菌に感染するウイルスであるファージ、グループIIイントロンではプラスミドだ。種のあいだを移ったことは、遺伝子の系統樹どうしの食い違いなどから推定されてきた。

著者らは、捕食の途中でイントロンのRNAが獲物の細胞に入るのではないかと考えて調べた。

以前の電子顕微鏡の観察では、捕食細菌と獲物の細胞のあいだに膜がなく、細胞の中身どうしが直接つながっていた。

今回の結果は、ウイルスやプラスミドに乗らない経路がありうることを示すが、RNAがどう移ったかを直接追ったわけではない。

ただし、別の種のゲノムに入り込むには、RNAをDNAに写す逆転写酵素の働きが必要だ。

Candidatus Velamenicoccus archaeovorusのゲノムには、イントロンから離れた場所にレトロン型の逆転写酵素の遺伝子があり、この培養のタンパク質の解析でも酵素そのものが見つかっている。

著者らは、この酵素も獲物の細胞に入れば転移が進む可能性がある、と書くにとどめている。

現場は「オレンジの香り」がするメタン産生コミュニティ

研究の舞台は、リモネンを栄養にしてゆっくり育つ、メタンを出す微生物の集まりだ。リモネンはオレンジの香りのもとになる物質。

ある細菌がリモネンを分解し、その産物をMethanothrix soehngeniiなどの古細菌がメタンに変える。

この培養は、年に1回、培養液の10%を新しい培地に移すことで20年以上続いていて、1回植え継ぐと2年にわたってメタンを出す。

この集まりで最も多いのが、捕食性のCandidatus Velamenicoccus archaeovorusだ。

以前の研究で、Methanothrix soehngeniiの糸状の列の中に、死んだ細胞がところどころに混じっていることがわかっていた。

死んだ細胞では16SリボソームRNAが検出されず、生死を染め分ける染色でも「死」と判定され、中身も少なかった。

DNAや脂質はまだ残っていた。

研究チームは、この細菌が獲物を殺したのではないかと考えた。確かめるには、捕食者の分子を死んだ細胞の中で見つける必要がある。

そこで目をつけたのが、捕食者のゲノムにあるイントロンだった。

Candidatus Velamenicoccus archaeovorusは、論文の言葉では「ultramicrobial epibiont」、つまりごく小さく、ほかの細胞の外側にくっついて暮らす細菌だ。

この細菌の23SリボソームRNA遺伝子の中には、グループIイントロンが入り込んでいる(大腸菌の番号で1917番目の位置)。

グループIイントロンはリボザイム(RNAでできた酵素)として働き、書き写されたRNAから自分を切り出すことで、完成した23SリボソームRNAをつくる。

死細胞にRNAが残った理由は「輪の形」と説明

RNAはふつう、端から酵素で分解されていく。そのため、死んだ細胞にはふつうRNAが残らない。今回、イントロンのRNAが見つかった獲物の古細菌の細胞は、どれも死んだ細胞だった。

生きている細胞の目印になる古細菌の16SリボソームRNAが検出されない細胞だ。

著者らは、これをイントロンのRNAが輪の形(環状RNA)になっているためだと説明している。

グループIイントロンが切り出された後にできる産物として環状RNAができることが知られていて、環状RNAには開いた端がないので、端から分解する酵素(エキソリボヌクレアーゼ)に壊されにくい。

ただし、獲物の細胞内のRNAが実際に輪の形だったかを、この研究で直接確かめたわけではない。

グループIイントロンがゲノムの別の場所に入り込む仕組みも、論文はまとめている。

イントロンにはホーミングエンドヌクレアーゼという酵素の遺伝子があり、これがDNAを切ると、細胞の修復の仕組みを通じてイントロンのDNAが別の場所に組み込まれると考えられている。

今回のプローブは、このホーミングエンドヌクレアーゼの遺伝子の部分を狙って設計された。

顕微鏡の画像と遺伝子データで確かめた

研究チームは、以前に公開した同じ培養のRNAの配列データ(約5788万本の読み取り)も調べ直した。

読み取りが重なった数の平均(平均カバレッジ)は、イントロンの部分で14、完成した23SリボソームRNAで26万3770だった。

切り出されていない転写産物、またはイントロンの分子は、完成した23SリボソームRNA2万個に1個の割合で、ほとんどの転写産物はリボザイムによる切り出しが済んでいたことになる。

顕微鏡では、イントロンのRNAに結合して光る核酸プローブを使い、捕食細菌の細胞と、獲物の糸状の古細菌の細胞の中にイントロンRNAを見つけた。

マックス・プランクの発表によると、捕食細菌の細胞は生きていた。獲物の細胞でイントロンRNAが見つかる頻度はとても低かった。

死んだ細胞のすぐ隣に生きた細胞があることもあり、両者は仕切り(スペーサープラグ)で隔てられていた。著者らは、これを糸全体が死ぬのを防ぐ受け身の防御とみている。

研究チームは、イントロンを狙う20〜23塩基のプローブを3種類つくり、酵素で信号を強めるCARD-FISHという方法で調べた。

逆向きの配列にしたプローブ(陰性対照)では特異的な信号は出ず、イントロンの別の場所に結合するプローブ(陽性対照)では信号が出た。

画像は、通常の蛍光顕微鏡のほか、共焦点レーザー顕微鏡と超解像顕微鏡でも撮っている。

ヒトの環状RNA研究との関係

輪の形をしたRNAは、微生物だけのものではない。ヒトの細胞にも、環状RNA(circRNA)と呼ばれるRNAがある。

ハーダー氏は発表の中で、この点に触れている。

ハーダー氏は「輪の形をしたイントロンRNAの安定性は、際立った特徴です。ヒトでは環状RNA分子が多くの代謝の過程に影響していて、腫瘍の発生での役割はいま盛んに研究されています。新型コロナウイルスや一部のがんに対するRNAワクチンなどへの応用も開発中です。私たちの研究は、微生物では跳ぶ遺伝子が環状RNAを介して他の種へ移りうることを示しました」と話している。

ただし論文そのものは、RNAが別の種の細胞に入れることを示したもので、獲物のゲノムに組み込まれたところまでは確かめておらず、医療への応用にも触れていない。

論文の考察は、話を微生物の「細胞外RNA」に広げている。細胞の外に出たRNAには、遺伝子の読み取りを抑えて相手の代謝を弱める小さなRNAや、自分がいることをまわりに知らせるRNAがある。

例えば、発光細菌Aliivibrio fischeriが出すRNAは、ハワイミミイカ(Euprymna scolopes)の防御の働きを弱め、共生を成り立たせる。

著者らは、今回のイントロンRNAが細胞外RNAの種類を広げるものだと書いている。

この研究で言えること、言えないこと

今回の結果は、跳ぶ遺伝子のRNAが、ウイルスやプラスミドに乗らなくても別の種の細胞に入りうることを示した。

マックス・プランクの発表は、イントロンが増えようとしているところを捉えたと表現する一方で、捕食細菌はすでに新しい宿主を殺していたので、この試みは「空っぽの細胞への跳躍」に終わったとも書いている。

観察されたのは、実験室の1つの培養の中の、1組の細菌と古細菌だけだ。イントロンRNAが見つかった獲物の細胞はとても少なく、どれも死んでいた。

獲物のゲノムに組み込まれたことも、RNAが輪の形だったことも、直接は確かめていない。この経路が自然の環境でどのくらい起きているのかは、まだわからない。