ミトコンドリアは生きている
(asimov.press)- ミトコンドリアを細胞小器官ではなく それ自体の生命体 と見なすと、細胞をエネルギー・情報・共生が絡み合うシステムとして改めて理解できる
- Lynn Margulisの 内共生理論 は一時期12の学術誌に拒否されたが、ミトコンドリアと細菌の類似性が確認され、真核生物進化の中核的説明として定着した
- ミトコンドリアは独自のゲノム、遺伝子発現、二分裂、環境シグナルの感知、ATP産生を行い、単なる「発電所」の役割を超えている
- 宿主細胞の中でしか生きないという反論だけでは不十分である。rickettsiae、Holospora spp.、人工内共生、種間でのミトコンドリア移動の事例は、生命体が特定の環境の中に内在して生きられることを示している
- DNA操作ツールがCRISPRまで発展したように、これからの生物学には 生物学的エネルギー とミトコンドリアを工学的に扱うためのツールが必要である
ミトコンドリアを生命体として見るべき理由
- 私たちの体の細胞内にあるミトコンドリアは、古代の 内共生関係 が残した産物である
- Lynn Margulisは1967年の論文 “On the Origin of Mitosing Cells”90079-3) で、約 15億年前 に原始的な真核細胞が酸素を利用する細菌を取り込み、それを消化せずに共生関係へと発展させたと主張した
- 宿主は細菌に栄養と保護を提供した
- 細菌は宿主にエネルギーを供給した
- この関係が現代の ミトコンドリア と 葉緑体 へとつながる生物学的革新になった
- この理論は当初12の学術誌に拒否され、数十年にわたって批判を受けたが、ミトコンドリアの膜構造と分子機械が現存する細菌に似ていることから、次第に受け入れられた
- 多くの生物学者は、ミトコンドリアが細菌から膜に包まれた細胞小器官へと「退化」したと見るが、ミトコンドリアの機能とダイナミクスは 独立した生命体 という解釈を可能にする
生命の基準とミトコンドリア
- 生命の定義は生物学の始まり以来議論の的であり、分子生物学者は通常、代謝、成長と発達、刺激への反応、繁殖、情報処理、進化可能性を基準とする
- 生物物理学は生命をエネルギーの観点から見ており、生命体は宇宙のエントロピー増大傾向の中でも秩序を維持する 非平衡状態 を保つ
- 細胞は食物や太陽光のような低エントロピー入力を受け取る
- 廃棄物のような高エントロピー出力を排出する
- どの定義を適用しても、ミトコンドリアは生命の条件をかなりの程度満たしている
- 独自の ゲノム を持ち、内部空間で遺伝子を発現する
- 核とは異なる生体分子を用いる
- 細菌のように 二分裂 によって複製・分裂する
- 宿主細胞のグルコースや脂肪酸のような低エントロピー入力を受け取り、二酸化炭素や水のような高エントロピー出力を放出する
- 内膜を通じてプロトンを汲み上げ、非平衡熱力学的平衡を維持し、その勾配でATPを産生する
エネルギー産生を超えた情報処理と進化
- ミトコンドリアの役割は単なる エネルギー産生 にとどまらない
- 細胞質環境でさまざまなシグナルを感知する
- ステロイドホルモン
- 酸化ストレス
- 熱
- ATPレベル
- 二次代謝産物
- そのほか多様な分子
- 感知した情報は細胞機能の制御に使われる
- ウイルスが細胞に侵入すると、ミトコンドリアは侵入の検知と プログラム細胞死 のシグナル伝達に重要な役割を果たす
- この過程はウイルスの拡散防止につながる
- 繁殖と進化も宿主細胞の複製過程と完全に同じではない
- 環状ゲノムである ミトコンドリアDNA を独立に複製する
- 二分裂によって分かれる
- ミトコンドリアDNAはヒトゲノムより 100〜1,000倍速く変異 する
- この変異はミトコンドリア自身の適応度だけでなく、宿主細胞の適応度も変えうる
- ミトコンドリアは進化の影響を受けるだけでなく、進化過程に影響を与える行為主体としても機能している
「宿主の中でしか生きない」という反論の限界
- ミトコンドリアは宿主細胞質の中にいなければならないという反論は、生命体が環境から切り離されて生きているわけではないという点を十分に反映していない
- 人間の生命も他の人間の中で始まり、接合子は出生前の数か月にわたって子宮環境を必要とする
- ミトコンドリア以外にも、他の細胞の中で生きる生命体は存在する
- rickettsiae はダニ、シラミ、ノミ、ダニ類の細胞の細胞質に存在する
- Holospora spp. は複数の原生生物の核内で生きている
- すべての生命体は特定の環境や生物学的システムの中で進化し生きており、生命体ごとに異なる階層に位置している
- ある生命体が実際に占めている環境は 実現ニッチ であり、生きられる潜在的範囲である 潜在ニッチ はそれより広い場合がある
ミトコンドリアの潜在的ニッチ
- 細菌を他の細胞の中に入れたからといって、その細菌が突然非生物になるわけではない
- ETH Zurichの研究チームは最近、細菌を糸状菌 Rhizopus microsporus に移植 し、人工的に誘導された内共生の運命を追跡した
- ミトコンドリアの実現ニッチは宿主細胞の細胞質だが、潜在ニッチはより大きい可能性がある
- ミトコンドリアは宿主細胞に縛られておらず、他の細胞間を移動 できる
- 種ごとに異なるミトコンドリアを持つが、ある種のミトコンドリアが別の種へ移されうることを実験が示している
- 1997年、科学者たちはチンパンジーとゴリラからミトコンドリアを分離し、そのミトコンドリアが ヒト細胞に自然に取り込まれて統合 されることを示した
- 外部ミトコンドリアの追加は、心不全と脊髄損傷 において治療上の利点を示している
生物学的エネルギー操作ツールが必要な理由
- 20世紀初頭、Albert EinsteinとClaude Shannonは物理世界の三本柱として 物質、情報、エネルギー を据えた
- Francis CrickとJames WatsonのDNA二重らせんモデル以後、生物学は物質と情報の理解と制御能力を大きく発展させた
- 遺伝子を研究するツールが発展した
- 細胞内の情報の流れを解読する能力が高まった
- CRISPRベースの遺伝子編集のようにDNAを操作するツールが登場した
- 一方で、生物学的 エネルギー を理解し操作するツールは、まだ同じ水準には達していない
- CRISPRが生命のコードを書き換えられるようにしたのと同じように、ミトコンドリアを工学的に扱い、真核生物全般の生体エネルギーを制御するためのツールが必要である
疾患、寿命、光合成とのつながり
- ミトコンドリアは10億年を超える進化の後も細胞内で中核的役割を維持しており、置き換えられた存在でも無用になった存在でもない
- 人類が進化するあいだ、ミトコンドリアの役割も人間の 健康 と 長寿 を形作ることに関わってきた
- ミトコンドリア機能障害は古くからさまざまな疾患と結びつけられている
- 心血管疾患
- 糖尿病
- Alzheimer’s
- Parkinson’s
- 筋萎縮性側索硬化症
- その他の加齢関連疾患
- こうした疾患の患者のミトコンドリアは異常で断片化した形態を示し、細胞に十分なエネルギーを作れなかったり、不適切な通信シグナルを送ったりする
- 病んだミトコンドリアは時間とともに有毒化合物を生み出し、細胞死を加速させる
- エネルギー関連疾患の解決、寿命延長、光合成の工学的実装は、細胞とその中で活発に暮らす他の生命体との複雑な相互作用を理解する問題とつながっている
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
ミトコンドリアのせいで、レアアース仮説寄りに傾くようになった
地球の歴史において、ミトコンドリアの細胞内共生は一度起きたもので、それがなければ複雑な生命に必要なエネルギー予算は成立しない
しかも、そのようなことが起こり得る期間は狭かったのかもしれない。現代の微生物世界における防御や選択圧は、最初のミトコンドリア細胞のような脆弱なキメラにとって敵対的だったはずだ
ミトコンドリア以前については、無生物から生命が生まれる過程はもっともらしく、ミトコンドリア以後については、複雑な多細胞生命や知的生命へつながる過程も筋が通る。だが、その一瞬は実験室で再現されておらず、まだ一度も再現されたことがない
だから宇宙には、生きている残りかすのような生命は多くても、植物と動物は非常に少ないと思う
余談だが、ATPが動く様子は見もの: https://www.youtube.com/watch?v=lUrEewYLIQg&t=939s
葉緑体、より広くは色素体は共通祖先を共有しているようだが、ミトコンドリアは水平遺伝子伝播や収斂進化を経たいくつかの系統に由来する可能性がある。ニトロプラストも別個の一次細胞内共生の例である可能性が高い
ある真核生物の共生細胞小器官が別の真核細胞に捕食され、新しい共生体になる二次細胞内共生もあり、これは少なくとも8回起きている
他の細胞小器官についても、独自の遺伝物質のような特徴から細胞内共生の産物だという説があるが、こちらはより推測的だ
真核生物がこうした共生体を取り込み、重要な能力を得たのは確かだが、それらの共生体はもともと、その機能を直接果たすように進化した生命体だった。またミトコンドリアは真核生物の特徴の一つではあるが、複雑な多細胞性の進化を可能にした主要因とは見なされていない。原核生物も多細胞性を何十回も進化させており、私たちが複雑な多細胞性の定義を、原核生物が達成したものと区別されるように恣意的に設定しているだけだ
他の系統でも起きたが、何らかの理由で競争に敗れて絶滅した可能性がある
だからといって、他の惑星の生命体が必ずミトコンドリア、あるいは同等の細胞小器官を必要とするという意味ではない。必要な化学反応を行い、十分なエネルギーを取り出せるなら、環境によって別の方式でも十分だ
そもそもミトコンドリアはどのように進化したのだろうか。独立した生命体のままで、その莫大なエネルギー予算を使って独自に進化することもできたのだろうか？
また、こうしたことが一度起きると、再び起きる必要そのものを押しのける傾向があるのかもしれない
この記事は何か新しく深遠な話のように装っているが、ミトコンドリアが「生きている」かどうかは、結局のところ私たちが生命というラベルをどう貼るかの問題だ
生命という言葉は、生物学的現象とは別に存在する人間の言語的構成物であり、ウイルスの場合と同じように、科学は何十年もこの問いを扱ってきた。こうした議論は意味論に帰着し、科学そのものに何かを加えるわけではない
ミトコンドリアは興味深く、まだ学ぶべきことは多いが、細胞の装置に完全に依存している。構造をコードする遺伝子の大半は核DNAにある。ミトコンドリアが独立して生きていると主張するなら、この点は避けて通れない
心臓は私の体の外でも存在でき、他人に移植することもできるが、だからといって心臓は生きていると言うべきだろうか？
文章全体は、私たちが何かを見落としているかのようにほのめかしているが、実際にはそうではない。リン・マーギュリスのミトコンドリアの細胞内共生起源説は多くの挑戦を受け、科学的論争を引き起こしたが、最終的には数十年前に説得力をもって勝利し、確立した科学になった。生命の歴史にはこうした細胞内共生の出来事がいくつもあり、それを研究する進化生物学の下位分野もある
心臓を構成する細胞は明らかに生きているが、支援インフラがなければ死ぬ。生き、複製し、死ぬという点では、体内のあらゆる細胞と同じだ
あなたを支援インフラなしに月へ移せばあなたも死ぬだろうが、それでもおそらく生きていると見なされるだろう
生命にはメカニズムがあるが、機械以上のものだ。私たちの生命が、別の生命体、あるいは10^17個の生命体と共生的に結びついているという態度は、貴重な謙虚さを与えてくれる
その謙虚さは、それらすべてを健康に、繁栄させる新しい視点を与え得る。ミトコンドリアが生きていることへの精神的なつながりだけでなく、健康とウェルビーイングに向かう実用的な態度こそが重要であり、科学的に探究する機会も多い
そういう人々はいまだに「生命」について語り、記事が批判している欠陥のある理解に基づいて意思決定をしている
ここで「見落としているもの」は、狭い意味での科学というより、より広い含意や世界観に近いように見える
Wikipediaもそれを裏づけているようだ: 「真核細胞のDNAの大部分は細胞核に入っているが、ミトコンドリアは細菌ゲノムにかなり似た独自のゲノム、すなわちミトゲノムを持つ」
https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion
これらはミトコンドリアに非常に近いが、私たちは生きていると見なしている。多くの遺伝子を失っており、宿主なしでは生存できない
こうした例を見ると、絶対細胞内寄生体が、捕食された原核生物に由来する細胞小器官へとつながる経路をほぼ見ることができる
この記事は、冒頭の数段落だけで科学ジャーナリズムの古典的なクリシェを二つとも満たしていた
第一に、弱い証拠から非常に劇的な理論を仮定した人物が、同僚の大半から間違っていると見なされたが、後に強い証拠が出て正しかったと判明する、という物語だ。間違いだと判明した何千もの劇的な仮説には触れられない
第二に、一般向けの説明では、ある哲学的命題は偽だと聞かされているだろうが、実は私の好む意味論を前提にすれば真である、という形だ
そろそろこういう話にうんざりしてもいい頃ではないか？ 科学記者はこういう記事を恥ずかしく思わないのか？
これが、すべて、あるいは大半の劇的な仮説が真だという誤りを含意している、と推論したのは筆者ではなくあなたのほうだ。筆者は特定の理論一つについてだけ話している
ニワトリが一羽、道を渡ったという話をしたからといって、道を渡らなかったすべてのニワトリの話をする義務はない
既存の定説がこのような形で始まった例も多いので、科学者は論争的な仮説をオープンな姿勢で検討する必要がある。どんな文脈でも、自分の見方と衝突する証拠をあまりに早く退けがちで、これは誰もがする一種の防衛機制だ
そうしたバイアスを認識し、自分の理論がどこで不十分かもしれないかを見たときに認める用意が重要だ
私の学術的な周辺ではかなり論争的なテーマだが、こうした考えもありがたく受け止めている
ミトコンドリアの記事を読むたび、このテーマに興味がある人にはNick LaneのPower, Sex, and Suicideを強く勧めている
素晴らしい本だ
The Vital Questionしか読んでいないが、この分野の人間ではない立場からすると、生化学の入門書としてとてもよかった
「ミトコンドリアを非生命と定義することは、単なる分類上の誤りや言葉選びの問題ではなく、ミトコンドリアの本質と役割についての根本的な誤解であり、生物システムの理解と研究ツールに深く影響する」という主張は提示されていたが、裏付けられていなかった
皆がミトコンドリアの進化的・機構的な事実にすでに同意していると仮定すると、この区別がなぜ重要なのかよく分からない
ミトコンドリアがもともと自由生活性の細胞だったこと、独自のDNAを持つこと、その起源と細胞内での働きに関する関連事実については、誰も反対していないように見える
結局、生きているとは何を意味するのかに関する論争にすぎず、哲学的には興味深いが、生物学の実践には重要ではなさそうだ。より広い意味を持たない純粋な意味論上の論争に見える
これには、ミトコンドリアDNAとRNAポリメラーゼ、転写因子、RNA処理・修飾酵素、転写終結因子、ミトコンドリアリボソームタンパク質、アミノアシルtRNA合成酵素、翻訳因子など、mtDNA遺伝子発現を制御する要素が含まれる
ミトコンドリアの要素は宿主細胞なしでは長く生きられないため、ウイルスと同様に、完全な生命と見なされるためのすべての要件を満たしているわけではない
[0] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC23071/
読みながら、「これは運用上どのような意味で重要なのか？」への答えを待っていたが、最後まで出てこなかった
提起されている問いは、ミトコンドリアを「生きている」と見るかどうかだが、ただの言葉にすぎないのだから、誰が気にするのかと思う
この仮定を受け入れると、私たちは何を違った形ですることになるのか？
たとえばゴリラのような別種のミトコンドリアをヒト細胞に移植する事例は、新しい治療法につながる可能性がある
特定の環境の中でしか生きられないというミトコンドリアに対する固定観念から離れる問題だ
「ミトコンドリアの進化上の利害と個体の利害は食い違い得るのか？」「一つの個体はいくつまで独立したDNAを持てるのか？」「なぜミトコンドリアは免疫反応を起こさないのか、あるいは起こし得るのか？」
これは、細胞が必ずしもある機能をゼロから進化させる必要はなく、食作用を通じて獲得できると分かった点で重要だ
また、進化を研究するうえで、さまざまな理由から有用なツールにもなる
ミトコンドリアは宿主細胞に縛られておらず、別の細胞間を移動できるようだ。種ごとに異なるミトコンドリアを持つが、実験は、ある種のミトコンドリアが別の種へ移され得ることを示している
1997年に科学者たちはチンパンジーとゴリラのミトコンドリアを単離し、それがヒト細胞に自然に内部化され、統合されることを示した。外部ミトコンドリアの追加が心不全や脊髄損傷で治療効果まで示した点も注目に値する
したがって、ミトコンドリアが生きられる潜在的な生態的地位は、実際の生態的地位より大きい。細胞小器官というより共生体に近く見え、これは驚くべきことだ
「なぜ運動は健康にいいのか？」のような基本的な問いにまでつながる
ここのコメントの哲学的・意味論的な枝分かれを読んで思い浮かんだことだが、細胞内共生のミーム的等価物としてはキリスト教、特にカトリックを挙げられる
歴史的に、キリスト教は2000年にわたって世界へ広がる中で、改宗した集団の土着の信仰や慣習をしばしば適応させ、吸収してきた[0]。その多くは時とともに消えたが、一部は中核に組み込まれ、世界的に輸出された
クリスマスを考えるにはまさにちょうどいい時期でもある[1]。二大祝日の一つなしにキリスト教を想像できるだろうか？
だからクリスマスは、ミトコンドリアに最も近いミーム的等価物かもしれない。初期に吸収された古代ローマの祭りのはっきりした輪郭はまだ見えるが、それらのミームはすべてキリスト教の中で生きている
今日、この祝日は信仰全体にとって不可欠で、それ自体では独立して存在できない[2]
[0] こうした吸収は、人々が新しい宗教を受け入れやすくするための意図的な余地だと教わったが、最近では根本的に避けられない結果だったのかもしれないと感じている。大陸規模で組織としての一貫性と信仰の一貫性を保つには、過去100〜200年前まで存在しなかった通信と官僚制の技術が必要だった
[1] 少なくともほとんどの店はそう信じ込ませてくる。西洋の商業カレンダーでは、クリスマスはハロウィンが終わると始まる
[2] ただし、この比喩の弱い部分かもしれない。西洋ではクリスマスは、独立した世俗的伝統として生き残れるほど商業化されている
ある文化の中の良いものを取り入れ、人々がキリスト教徒になる助けとなるよう統合するという考え方だ。宣教師が言語を学び、聖書を翻訳し、必要ならその言語の文字体系を作ることも、キリスト教宣教の核心である
だからキリスト教は常に文化同士の共生に近いものであり、あなたが言うように細胞内共生に似ているという点には同意する
最初は純粋にユダヤ的で、ヘレニズムの大きな部分を受け入れ、世界に広がるにつれてさらに多くの要素を取り込んだ。ユダヤ的要素とヘレニズム的要素は完全には混ざらなかったが、この点もミトコンドリアにかなり似ている
また、神が人間となり、両者の共生を救い主にしたという核心的信仰を持つ宗教なら、こうした構造は理にかなっている
地球上のすべての子どもが、ミトコンドリアは細胞の発電所だと宗教的に教わるという事実だけでも、私たちが太初の契約を維持しており、その条件に縛られている証拠としては十分だ
これより優れた広報部門を持つ生物学的存在を一つ挙げてみてほしい。最も近いのは、犠牲者をかっこよく聞こえさせる水虫くらいだ
生物の授業では細菌を遺伝子編集して色が変わるようにしたが、それは面白かった
水虫には、薄めた漂白剤に30分足を浸すのが一番いい治療法だ。洗面器に温かい水を張り、少しピリピリする程度に漂白剤を入れればいい
月・水・金のように1日おきに3回やれば解決する。靴も必ず洗うべきで、再感染を防ぐには感染した靴は数日でも履かないほうがよく、内側にLysolを何度かスプレーしたほうがいい
生物学専攻の学生が宗教的に暗記するクエン酸回路はあるが、それも実のところ多くを説明してはいない
本当に興味深い部分は、たいてい「魔法のような酵素／タンパク質」の触媒作用として雑に流される。ミトコンドリアのタンパク質や酵素触媒がどう機能するのか理解するには、通常、大学院レベルと生化学・生物物理学の背景が必要になる
私の知る限り、私たちはミトコンドリアを崇拝したことはない。食べる行為を供物と見なすなら技術的には正しいかもしれないが、哲学的にはそうではない
記事で抜けている重要な事実は、ATPとエネルギー合成に必要なものまで含め、ミトコンドリアの必須タンパク質の大半は宿主細胞のDNAに基づいて宿主細胞が作っているという点だ
だから、ミトコンドリアが一部のDNAを持って複製するのは確かだが、その細胞が単にミトコンドリアの「環境」だというわけではない
もう一つ興味深いのは、ミトコンドリアは互いに結合でき、転写エラーで壊れた個体を救出するためにしばしばそうするという点だ。橋のような構造を通じて別の細胞へ運ばれ、受け入れ側の細胞を強化することもあり、現在、免疫細胞治療でこうした方法を試みようとしている
こうした極端に起こりにくい偶然の出来事のせいで、私たちは宇宙で本当に孤独なのかもしれないと思うようになる
ここでいう「私たち」とは、知覚を持ち文明を築いた生命形態のことだ。私たちの出現につながった長い連鎖の、極めてありそうにない出来事が他の場所で繰り返されたとは考えにくく、この宇宙の途方もない広大さのおかげで、たった一度だけでも生じたのだと思う
これに海全体を掛け、相互作用を数十億年分掛ければいい
こうした共生が起こらないことのほうが、むしろ不可能に見える。確率がどれほど低くても、可能な相互作用の数がこの結果を確実にしたはずだ