イスラエルとガーナの研究者チームによる新しい研究は、ヒトの遺伝子に非ランダムな突然変異が起きていることを初めて証明し、環境圧力に対する長期的な方向性のある突然変異反応を示すことで、進化論の中核をなす仮定を覆すものだ。ハイファ大学のアディ・リブナット教授率いる研究チームは、新しい方法を用いて、マラリアから身を守るHbS突然変異の発生率が、マラリアが流行しているアフリカ出身の人々の方が、そうでないヨーロッパ出身の人々より高いことを明らかにした。
2022年1月14日にGenome Research誌のオンライン版に掲載されたこの論文は、「適応と遺伝的疾患に関連するヒトHBB遺伝子領域における単一変異分解能でのDe Novo変異率（De Novo Mutation Rates at the Single-Mutation Resolution in a Human HBB Gene-Region Associated with Adaptation and Genetic Disease）」と題されている。
「1世紀以上にわたって、進化論の主役はランダムな突然変異に基づいている。今回の結果は、HbS変異がランダムに発生するのではなく、適応的に重要な意味を持つ遺伝子と集団の中で優先的に発生することを示している。」「我々は、進化は2つの情報源の影響を受けると仮定している。すなわち、自然選択である外部情報と、世代を経てゲノムに蓄積され突然変異の起源に影響を与える内部情報だ。」とリブナット教授は述べている。突然変異の起源に関する他の知見とは異なり、特定の環境圧力に対するこの突然変異特異的な反応は、従来の理論では説明できないものだ。
ダーウィン以来、我々は生命が進化によって誕生したことを知っている。しかし、その壮大さ、謎、複雑さにおいて、進化はいったいどのように起こるのだろうか？過去1世紀にわたり、科学者らは、突然変異はゲノムに偶然起こるものであり、自然選択、すなわち適者生存は有益な偶然を好むと仮定してきた。このような遺伝的偶発性が何千年にもわたって自然淘汰のもとで蓄積されることにより、鷹の鋭い目から人間の心臓血管系に至るまで、順応性がもたらされると考えられてきた。
このような考え方は、科学界では広く支持されているが、複雑性の問題など、基本的な疑問は常に残されている。小さなランダムな変化の連続的な蓄積は、それ自体が有益であるにもかかわらず、目、脳、翼など、自然界で我々が目にする驚くほど複雑で印象的な適応の進化が、時間的制約の中で導くことができるだろうか。しかし、これまで考えられてきた基本的なレベルの代替案は、ラマルク主義の変種、つまり、生物は何らかの方法で直接環境に対応し、有益な遺伝的変化をもたらすことができるという考え方だけであった。ラマルク主義は一般にうまく機能しなかったので、ランダムな突然変異という考え方が主流であった。
リブナット教授と彼の研究室のマネージャーであるダニエル・メラメド博士は、ランダムな突然変異と自然選択説を区別するため、デノボ突然変異を検出する新しい方法を開発した。この方法は、これまで不可能だった、ゲノムの特定箇所におけるデ・ノボ変異のカウントを可能にし、その正確さの記録を更新した。
そして、この方法を用いて、生物学と進化の分野でおそらく最もよく知られている点変異であるヒトヘモグロビンS（HbS）変異のde novo発生を調べたのだ。HbSは、1つ持っている人はマラリアから身を守れるが、2つ持っている人は鎌状赤血球貧血を引き起こす。マラリアは媒介する血液の病気であり、過去1万年の間に人類に作用した最も強い淘汰圧であることは間違いなく、過去にはアフリカで年間100万人以上の死者を出すこともあった。HbSはまた、進化におけるランダムな突然変異と自然淘汰の中心的な例として用いられる。HbSはサハラ以南のアフリカの個体に偶然発生し、マラリアを予防する利点と鎌状赤血球症の代償が釣り合うまで自然選択によってアフリカ内部に広がったと長く考えられてきたのである。
リブナット教授は、HbSのde novo発生を調べることで、マラリア防御変異がランダムに発生し、淘汰圧によってのみアフリカに広がったのか、それとも、何世代にもわたって強いマラリア選択圧を受けてきたサブサハラ・アフリカ人により頻繁にde novo発生するのかを初めて明らかにしたのである。もし突然変異がランダムであれば、どちらの地域グループでも同じように発生する可能性があるはずである。しかし、もし突然変異が非ランダムであるならば、おそらくアフリカ人の方がより頻繁に出現するはずである。
リブナット教授は、「このような疑問がこれまで持たれなかったのには、少なくとも二つの理由がある」と説明する。「第一に、突然変異はランダムであると考えられていたこと、第二に、たとえそのような質問をしたかったとしても、以前の方法では不可能だったためだ。」
広く受け入れられている予想に反して、結果は非ランダムパターンを支持するものであった。HbS突然変異は、ランダムな突然変異から予想されるよりもはるかに速くde novoで生じただけでなく、それが適応的に重要である集団（ヨーロッパ人ではなくサハラ以南のアフリカ人）および遺伝子（対照のデルタグロビン遺伝子ではなくベータグロビン遺伝子）において、はるかに速く生じたのである。これらの結果は、従来のランダムな突然変異と自然淘汰の例を覆し、非ランダムでありながらラマルク的でない突然変異の例へと変えている。
「突然変異は伝統的な考え方を覆す。この結果は、世代を経てゲノムに蓄積された複雑な情報が突然変異に影響を与え、その結果、突然変異特有の発生率が特定の環境圧力に長期的に対応できることを示唆している」とリブナット教授は述べている。
ラマルク主義に基づくこれまでの研究では、環境圧力に対する突然変異の反応が即座に起こるかどうかだけを検証していた。「突然変異は、結局のところ、進化において非ランダムに生成されるのかもしれないが、これまで考えられていたような形ではない。というのも、進化がこれまで考えられていたよりもはるかに大きなプロセスであることを示す扉を開くからだ」と、リブナット教授は結論づけた。
これまで研究者は、技術的な制約から、ゲノム上の多くの位置の平均値として突然変異率を測定することしかできなかった。この障壁を乗り越え、リブナット教授とメラメド博士が開発した新しい手法により、HbS突然変異は初めて突然変異固有の発生率を測定され、突然変異の発生に関する研究に新たな展望を開くことができたのである。
これらの研究は、進化に関する基本的な理解だけでなく、突然変異によって引き起こされる病気、すなわち遺伝病や癌の理解にも影響を与える可能性がある。
本研究は、ジョン・テンプルトン財団の助成金の支援により実現したものだ。掲載された意見は著者のものであり、必ずしも同財団の見解を反映するものではないとされている。
