多階層進化：生物に情報と機能の分化をもたらす原理の理論的研究

• Project/Area Number: 17K17657
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Life / Health / Medical informatics; System genome science
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 竹内 信人 東京大学, 大学院総合文化研究科, 特任助教 (30749304)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2018: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2017: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: コンピュータシミュレーション / モデル化とシミュレーション / 遺伝情報の起源 / 多階層進化 / セントラル・ドグマ / 生物普遍性 / 進化 / セントラルドグマの起源 / 多細胞生物の起源

Outline of Annual Research Achievements

細胞を構成する分子は、遺伝情報を伝えるゲノムと、その他の機能を担う触媒に分化している。これはなぜだろうか？本年度の研究により、我々はこの疑問に次のように答える事が可能になった。
複数の分子を内部に含む原始的細胞を想定しよう。分子は、複製の鋳型としても触媒（ポリメラーゼ）としても働く事ができるとする。ただし鋳型活性と触媒活性の間にはトレードオフがあり、ある分子が触媒または鋳型の一方の機能を担う頻度が高いほど、同分子がもう一方の機能を担う頻度は減るとする。分子は、自己複製が起きやすいほど進化的に有利なので、自分が鋳型になる頻度を増やす為、自己の触媒活性を減らす方向へ進化する。逆に細胞は、内部分子の触媒活性が高いほど増殖速度が速いので、この活性を増やす方向へ進化する。さて、分子にはRNAとDNAの２種あると仮定しよう（以降R／Dと略記）。簡単の為、初め２種は化学的に区別できないとする。突然変異などの偶然により、Dの触媒活性がRの触媒活性より僅かに下がったと想定しよう。するとトレードオフによりDの複製速度はRの複製速度よりも速くなる。したがってDを介して伝わる遺伝情報の割合が増え、その結果Dを介して起きる進化がRを介して起きる進化よりも重要になる。Dを介した進化は、Rの触媒活性を上げ、Dの触媒活性を下げる傾向がある。なぜなら、Dの複製にとって、Rが触媒として働く事は細胞レベルで利益があるが、Dが触媒として働く事はトレードオフのせいで分子レベルの不利益があるからである。したがって、初めに仮定したRとDの間の微小な触媒活性の違いは増幅される（対称性の自発的破れ）。こうしてDはゲノムに、Rは触媒にやがて進化する。
本研究は、細胞を構成する分子がゲノムと触媒に分化する理由を理論的に説明できるようになったという画期的成果をもたらした。本研究を報告する論文は国際誌に現在投稿中である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ユトレヒト大学(オランダ)
• [Journal Article] The origin of the central dogma through conflicting multi-level selection (2019)
  • Author(s): Takeuchi Nobuto、Kaneko Kunihiko
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 0 Pages: 0-0
  • DOI: 10.1101/515767
  • Open Access
• [Journal Article] Conceptualizing the origin of life in terms of evolution (2017)
  • Author(s): Takeuchi N.、Hogeweg P.、Kaneko K.
  • Journal Title: Philosophical Transactions of the Royal Society A Volume: 375 Issue: 2109 Pages: 20160346-20160346
  • DOI: 10.1098/rsta.2016.0346
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The origin of a primordial genome through spontaneous symmetry breaking (2017)
  • Author(s): Takeuchi Nobuto、Hogeweg Paulien、Kaneko Kunihiko
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 8 Issue: 1 Pages: 250-250
  • DOI: 10.1038/s41467-017-00243-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stronger selection can slow down evolution driven by recombination on a smooth fitness landscape (2017)
  • Author(s): Ueda Masahiko、Takeuchi Nobuto、Kaneko Kunihiko
  • Journal Title: PLoS One Volume: 12 Issue: 8 Pages: e0183120-e0183120
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0183120
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 対立的多階層進化によって生起する分子生物学のセントラル・ドグマ (2018)
  • Author(s): 竹内信人
  • Organizer: 日本進化学会第20回大会
• [Presentation] The origin of the central dogma of molecular biology through conflicting multilevel evolution (2018)
  • Author(s): Nobuto Takeuchi
  • Organizer: Sciences of Early Life, Origins Institute, Hamilton, Canada
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The origin of the central dogma through conflicting multilevel evolution (2018)
  • Author(s): Nobuto Takeuchi
  • Organizer: Evolution: Genetic Novelty/Genomic Variations by RNA Networks and Viruses, Salzburg, Ausria
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The Origin of the Central Dogma through Con icting Multilevel Evolution (2018)
  • Author(s): Nobuto Takeuchi, Kunihiko Kaneko
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会年会
• [Presentation] The Origin of the Central Dogma through Con icting Multilevel Evolution (2018)
  • Author(s): Nobuto Takeuchi
  • Organizer: Te Ao Marama Conference 2018, Auckland, New Zealand
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 対称性の自発的破れによって生起する分子生物学の基本原理：セントラル・ドグマはもはやドグマではない (2018)
  • Author(s): 竹内信人, 金子邦彦
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] The Origin of a Genome through Spontaneous Symmetry Breaking: A Computational Modeling Study (2017)
  • Author(s): N Takeuchi, P Hogeweg, K Kaneko
  • Organizer: XVIIIth International Conference on the Origin of Life
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] longer a dogma: Explaining the fundamental principle of molecular biology through multilevel evolution (2017)
  • Author(s): N Takeuchi
  • Organizer: 日本進化学会第19回大会