構造モデリングを用いたAsgard古細菌における真核細胞の複雑性の予測

隠れた複雑性を持つ古代微生物

私たちの知る生命は、核やミトコンドリアのような内部区画を持つ真核細胞に依存しています。こうした精巧な細胞がより単純な微生物の祖先からどのように進化したかは、生物学における長年の大きな謎の一つです。本研究はAsgardと呼ばれるあまり知られていない古細菌群に焦点を当て、これらの微生物が我々の細胞に見られる複雑性に必要な分子の構成要素をすでに備えているのかを問います。

Asgardのタンパク質世界を覗く

調査のために、研究者らは環境サンプルのDNA断片からしか知られていないものも多い936個のAsgard古細菌の大規模なゲノムコレクションを組み立てました。これらのゲノムは何百万ものタンパク質をコードしており、その多くはほとんど理解されていません。非常に長い進化の距離では配列類似性だけに頼ると見落としが生じやすいため、チームは代表的なタンパク質の三次元構造をAsgardの“パンゲノム”から選んで予測しました。タンパク質折り畳みのために開発された強力なアルゴリズムを用い、37,000を超えるタンパク質ファミリーについて高信頼度の構造モデルを生成しました。

配列が異なっても形で一致を見いだす

タンパク質配列は数十億年の間に急速に変化しますが、その全体的な形状はしばしばよりよく保存されます。著者らはこれを活用し、予測されたAsgardタンパク質構造をあらゆる生命ドメインからの既知および予測構造を含む巨大なデータベースと比較しました。そして各Asgardタンパク質ファミリーについて、その最も近い構造的マッチが真核生物に偏って見られるかどうかを調べました。そのような濃縮が認められた場合、研究者らはこれらを「等形真核シグネチャタンパク質（iESP）」と分類しました。すなわち、配列ではなく形状が複雑な細胞生物学に結びつく真核生物タンパク質と強く呼応するタンパク質です。

真核様タンパク質のセットを3倍に

この構造ベースの手法により、これまで認識されていなかった1,319件のiESPが明らかになり、関連する構造クラスターにまとめると、Asgard古細菌は真核生物との強い親和性を示す908の異なるタンパク質ファミリーを含むことが示されました。これは従来の配列ベース検索で特定された数の3倍以上に相当します。多くは翻訳やリボソーム生合成のような情報の記録と処理のシステムや、酸化的損傷から守る代謝経路や複雑な分子を扱う経路に属します。これらは真核生物の祖先である古細菌が、ゲノムだけからは示唆されなかったより豊かで洗練された分子ツールキットをすでに持っていたことを示唆します。

初期の細胞区画に関する手がかり

もっとも注目すべき発見のいくつかは、真核細胞の内部組織化に結びつくタンパク質に関するものです。研究チームは、真核生物で巨大な樽状リボ核タンパク質粒子を形成し、輸送やストレス応答に関与するとされる主要ボールトタンパク質のAsgard版を同定しました。また、エンドソームで膜タンパク質のリサイクルを助けるCommander複合体のCOMMDタンパク質のAsgard類縁体も発見しました。加えて、ストレスシグナルに関与するユビキチン様修飾因子Ufm1のAsgard特有の供給源や、DNA複製やリボソーム生産に役割を果たす細胞周期キナーゼのパートナーであるCINPのAsgard版も見つかりました。これらの関連は、精緻な真核生物の輸送や制御システムの構成要素がAsgard祖先に遡る可能性を示唆します。

私たちの細胞起源の物語を書き直す

総じて、結果はAsgard古細菌が単純とはほど遠い存在であるという姿を描きます。彼らのゲノムは、真核細胞の複雑な組織、情報処理、代謝を支える形状を持つ多くのタンパク質をコードしています。構造だけで全てのタンパク質ファミリーの直接の祖先関係を証明することはできませんが、配列比較が見落とす深いつながりを明らかにします。専門外の読者にとっての主要なメッセージは、単純な微生物から複雑な細胞への飛躍は、おそらく私たちの細胞が今日も依存している多くの分子機構をすでに備えたAsgard様の生物によって橋渡しされた、ということです。

引用: Köstlbacher, S., van Hooff, J.J.E., Panagiotou, K. et al. Prediction of eukaryotic cellular complexity in Asgard archaea using structural modelling. Nat Microbiol 11, 747–758 (2026). https://doi.org/10.1038/s41564-026-02273-y

キーワード: Asgard古細菌, 真核細胞の進化, タンパク質構造モデリング, 細胞の複雑性, 真核生物指標タンパク質