生体蛍光を発するウナギウオは、不凍液を内蔵して北極海に挑む

ペニシリン、火薬、電子レンジなど、最も重要な科学的発明のいくつかは偶然に発見された。現在、極寒の北極で一部の動物がどのように生息しているかを研究している研究者グループは、そのリストにもう一つ追加するものを見つけた。天然の不凍液だ。本日、進化バイオインフォマティクス誌に発表された新しい研究 グリーンランドに生息する小さなウナギ科の魚には、氷点下の気温でも生き延びることができる不凍タンパク質が非常に多く含まれていることがわかった。

2019年、ニューヨークのアメリカ自然史博物館の研究員であり、CUNYのバルーク大学の著名な生物学教授でもある研究共著者のデイビッド・グルーバー氏は、チームとともにグリーンランド東部への遠征に出かけ、氷の下の暗闇で光る動物を探した。北極圏に位置するこのグリーンランドの地域は、夏にはほぼ一日中太陽が照りつけるが、冬の間は暗闇に包まれる。チームの目標は、終わりのない非常に限られた日光の季節のような劇的な季節があるこれらの環境に生息する海洋生物にとって、光が果たす役割を理解することだった。彼らの探索は、華氏28.4度の氷点下を大きく下回る極寒の水域で典型的に見られる、オタマジャクシのような体を持つ小さな魚である生物蛍光ウオの幼生につながった。生物蛍光とは、動物が青色光を吸収し、緑色、赤色、黄色のいずれかの光を発することです。これは、生涯のほとんどを暗闇の中で暮らす北極の魚類では珍しい現象です。

ウナギがどうやって光を作り出すのかをより深く理解するため、生物学チームはそのトランスクリプトーム全体、つまりウナギが作っているすべての遺伝子を調べたところ、体内で最も活発に作られているタンパク質の1つが不凍タンパク質であることに驚きました。「車の不凍液が低温時にラジエーター内の水が凍らないようにするのと同じように、一部の動物は凍結を防ぐ驚くべき機構を進化させてきました。例えば、氷の結晶が形成されるのを防ぐ不凍タンパク質などです」とグルーバー氏はプレスリリースで述べています。

海洋生物学者は、すでに 50 年前に不凍タンパク質の存在を発見していました。魚、爬虫類、昆虫、細菌など、いくつかの種は、氷の多い生息地で生き残るために不凍タンパク質を進化させたことが知られています。ウナギの場合、不凍タンパク質は肝臓で生成され、細胞や体液内で大きな氷の粒が形成されるのを防ぎます。不凍タンパク質がなければ、ウナギの血液は凍って固まってしまいます。

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最初の発見以来、生物学者たちは不凍タンパク質が 5 つの異なる遺伝子ファミリーを通じて生成されることを発見した。しかし海洋生物学者たちは、ウナギウオが不凍タンパク質の生成にどれだけのエネルギーを費やしたかを知らなかった。「振り返ってみると、それは理にかなっています。もちろん、氷山に生息する幼魚は、凍結を防ぐタンパク質を大量に生成しているのです」とグルーバーは説明した。遺伝子分析で、研究チームは 2 つの遺伝子ファミリーを発見した。これらはタイプ I と LS-12 類似タンパク質と呼ばれる 2 種類の不凍タンパク質のコード化を担当している。これらの遺伝子は高度に発現しており、ウナギウオの発現遺伝子の上位 1 パーセントを占めていた。

研究著者らは、これらの不凍タンパク質の高発現レベルは、極寒の水域で生きるために不可欠であると示唆している。しかし、一部の海洋生物学者は、これらの結果からどれほどの結論を導き出せるかについて疑問を投げかけている。この研究には関与していないイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の進化生物学者 C.-H. クリスティーナ・チェン氏は、北西大西洋のロングホーンカジカにも存在する LS-12 様タンパク質は、魚が凍死するのを防ぐのにあまり役立たないと述べた。むしろ、クサウオがこのタンパク質を別の発達上の理由で発現している可能性があると彼女は述べている。さらに、クサウオで見つかったタイプ I 不凍タンパク質の発現は、同種の他のタイプ I タンパク質とは異なる。

チェン氏は、これらの矛盾は、血漿中の不凍タンパク質の活性を直接さらに調べることで解決できると述べた。「検出された転写産物がすべて実際に機能的な不凍タンパク質に変化すれば、血漿の不凍活性は高くなるはずです」とチェン氏は説明する。「しかし、血漿の不凍活性が低い場合、これらの転写産物が活性な不凍タンパク質に変化するかどうかは疑問です。」

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それでも、この新たな研究は、北極に生息するウナギの生存における不凍タンパク質の重要性を強調している。北極は、地球温暖化の影響を受けやすい環境だ。過去1世紀以来、北極は地球の他の地域よりも4倍の速さで温暖化しており、30年後には北極海が氷のない状態になると予測されている。

この地域が劇的な変化を遂げるにつれ、氷に棲む魚は温暖な気候に適応しなければ絶滅することになる。「これらの若いクサウオにとって、大量の不凍タンパク質を作るというスーパーパワーは、氷山のない北極ではもはやスーパーパワーではなくなる」とグルーバー氏は述べた。さらに悪いことに、温暖な気候に棲む傾向のある魚種がさらに増え、餌と住処をめぐる競争が激化する可能性がある。

今後、グルーバー氏と彼のチームは、これらの凍結環境に生息するクサウオやその他の種の不凍液の微妙な違いをさらに調査する予定です。「クサウオは、海面から 8,000 メートルを超える深さまで生息する種がいる興味深い科です」とグルーバー氏は言います。「私たちは、クサウオが極寒と極圧の環境で生き延びる能力との間に何らかの関係があるかどうかを調べたいと思っています。」