ヘビ毒と哺乳類の唾液タンパク質に共通の起源

本研究のポイント

• ヘビや哺乳類の毒に含まれる毒素には、共通の起源があることが本研究で明らかになった。
• 本研究では、「カリクレインセリンプロテアーゼ」と呼ばれる毒素の起源をたどり、共通の祖先が持っていた唾液タンパク質をつきとめた。
• また、進化系統樹により、マウスやヒトなどの哺乳類の唾液に含まれる非毒性の唾液カリクレインも、同じ祖先遺伝子から進化したことが判明した。
• 本研究は、ヘビと哺乳類の祖先が、毒性を持つ能力のある遺伝子群を共通して持っており、その遺伝子群から毒液が進化したという仮説を強く裏付ける証拠となる。

概要

ヘビや一部のトカゲ、さらに一部の哺乳類には、噛みついて毒液を出すものがいます。これらの種の系統は、3億年以上前に分化しましたが、それぞれが持つ毒液は、同じ祖先の唾液タンパク質から進化したものであることが、BMC Biology誌で発表されました。

沖縄科学技術大学院大学（OIST）とオーストラリア国立大学の研究チームは、ほとんどのヘビ毒や爬虫類、そして哺乳類の毒液すべてに含まれる「カリクレインセリンプロテアーゼ」と呼ばれる毒素の一群に着目してその起源をたどり、共通の祖先に見られる遺伝子をつきとめました。

本研究論文の共同筆頭著者の一人でOIST博士課程学生のアグニーシュ・バルアさんは、次のように説明しています。「毒液は、獲物を殺したり動きを封じたりする方法として、動物界全体で進化してきた毒性タンパク質のカクテルです。ヘビに見られる、口から毒液を出すシステムは特に複雑で、その毒液の起源はまだ明らかになっていません。」

バルアさんの研究チームは前回の論文で、哺乳類の唾液腺とヘビの毒腺では、制御遺伝子の一群の活性パターンが類似していることを発見しており、毒液の進化に必要な基盤がヘビと哺乳類の両方に存在することを示唆しています。

バルアさんは、「前回の論文では、ヘビと哺乳類の祖先は、毒素を持つ能力を秘めた遺伝子群を共通して持っていた、という仮説を立てました。その後、ヘビと哺乳類は異なる進化を遂げ、ヘビの系統では毒素の混合物が多様化して毒性を増し、哺乳類でも毒液は進化しましたが、非常に低い程度にとどまりました。しかし、私たちが知りたかったのは、哺乳類とヘビの毒液に含まれる毒素が、共通の祖先遺伝子から進化したものなのかどうかということでした」と説明します。

カリクレインセリンプロテアーゼは、タンパク質分解酵素の一種であり、血圧の調整に重要な役割を果たしています。哺乳類の唾液にはこれらのタンパク質が少量含まれていますが、その機能は今日に至るまで明らかになっていません。しかし、毒ヘビや、トガリネズミやソレノドンなどの哺乳類では、これらのタンパク質の毒性が進化しており、大量に投与すると、血圧が急激に低下して意識を失ったり、死に至ったりする可能性もあります。

カリクレインセリンプロテアーゼは、ヘビ毒に含まれるものと哺乳類の唾液に含まれるものが生化学的に類似していることに研究チームは以前から気がついていましたが、実際にこれらが関連しているかどうかはこれまで明らかになっていませんでした。「類似性の高いセリンプロテアーゼが非常に多く存在するため、進化の経緯を明らかにするために必要な遺伝子を分離することがこれまでは困難でした」とバルアさんは述べています。

研究チームは、近年進歩したゲノム解析法により、爬虫類・両生類・魚類・哺乳類のすべてのカリクレイン遺伝子を特定して比較し、進化系統樹を作成することができました。

驚くべきことに、ヘビ毒のカリクレインセリンプロテアーゼと哺乳類の唾液中のカリクレインが、同じ祖先遺伝子から進化したことを発見しました。

バルアさんは次のように説明しています。「このことは、毒性を持つ能力を秘めた祖先の共通の遺伝子群から毒液が進化したという、我々の仮説を裏付ける実に強固な証拠です。しかし、最も驚いたのは、ヒトやマウスに見られるような非毒性の唾液カリクレインも、同じ祖先の遺伝子から進化したということです。」

実際に、哺乳類の唾液に含まれる非毒性カリクレインは、哺乳類が持つ他のカリクレインよりもヘビ毒の毒素に近いことを研究チームは発見しました。

マウスやヒト、そして毒液を持つ哺乳類であるトガリネズミやソレノイドなどに見られる唾液カリクレインは、毒ヘビが持つ毒性のセリンプロテアーゼカリクレインと近縁である。 

以上のことから、ヒトを含む哺乳類の唾液カリクレインというタンパク質も、毒性を持つように進化する能力があると考えられます。

しかし、バルアさんはすぐに次のように注意点を付け加えました。「毒液を持つよう進化するための要素を私たちが持っているからといって、それが実際に起こるとは限りません。毒液を作るには非常にコストがかかるので、そのように進化したのは強い生態学的圧力がああったものと思われます。しかし、人間やほとんどの哺乳類にはそのような圧力はありません。」

したがって、これによって明らかになったことは、「毒液を持つ哺乳類と、持たない哺乳類の境界が、これまで考えられていたよりも曖昧になったということです」とバルアさんは締めくくっています。

発表論文詳細

論文タイトル： Co-option of the same ancestral gene family gave rise to mammalian and reptilian toxins
発表先: BMC Biology
著者: Agneesh Barua, Ivan Kolidarov, Alexander S. Mikheyev
発表日: 23rd December 2021
DOI: 10.1186/s12915-021-01191-1