われわれが学習した情報は、いったい体のどこに記憶されるのだろうか。言うまでもなく「脳」はそのひとつである。しかし、「学習」と「記憶」に関するメカニズムの再考を余儀なくされたいくつかの研究結果から、多くの研究者たちが盛んにそのメカニズムを追究してきた。

もともと光から逃げる性質のあるプラナリアは、著しい再生能力を持つ扁形動物である。光のなかにある餌を安全だと10日間かけて学習したプラナリアは、そのあと頭部を切断され、尻尾から新たな頭部を再生させた。驚くことに再生した頭部は、光のなかでの餌の見つけ方をどういうわけだか“覚えて”いた。これは何らかの記憶が脳の中枢神経にとどまらないことを示した研究だった。

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また、RNAの移植によって生物の記憶を移し替えることができるという研究もあった。電子ショックによって防衛的収縮を学習したアメフラシのRNAを、訓練を受けなかった7匹のアメフラシに移植したところ、それらは体を触られた際にまるで訓練を受けたかのような振る舞いをしたのだ。

これは少なくとも、記憶の一部はRNAに保存されていることを示した画期的な実験だったと言える。これらの例は、訓練で得た一部の「情報」や「経験」が脳にとどまらないことを示しており、その媒体としてエピジェネティクス（DNAの配列変化によらない遺伝子発現を制御・伝達するシステム）やRNAによる関与が疑われていた。

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生物学の常識を覆す「学習」の遺伝

そのメカニズムが今回、「カエノラブディティス・エレガンス（C. elegans）」という線虫を使った2つの論文で説明されている。線虫の神経系は学習後、小分子RNAの一種であるsiRNAやpiRNAを介して、情報を生殖細胞に伝達することが明らかになったのだ。しかも驚くことに、子孫の生存に有益だと思われるこれらの“記憶”は、3～4世代も子孫に継承し得ることが2つの研究により判明している。

線虫のゲノムには、ヒトゲノムとほぼ同数の遺伝子──つまりタンパク質の合成に必要な遺伝情報がある。これまでの研究により、ヒトや線虫を含む動物は、複数の遺伝子の発現を時々刻々と変化させることで、活動レヴェル、温度変化、飢饉など、あらゆる変動的な環境条件に順応することがわかっている。さらにこれらの遺伝的装飾が生殖細胞に及ぶと、それらは世代を超えたエピジェネティックな遺伝として子孫へと受け継がれることがわかっている。

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プリンストン大学分子生物学部およびルイス・シグラー研究所のチームは、線虫が学習した危険回避行動は、生殖細胞を介して親から子へと受け継がれることを、6月6日付けの学術誌『Cell』で報告している。

線虫は自然環境で、さまざまな種類の細菌を餌にする。そのなかでも緑膿菌は、場合によって生死を分ける危険な病原体だ。「線虫は最初は病原体である緑膿菌に引き寄せられますが、感染するとそれを回避することを学びます。そうしなくては数日内に死んでしまうからです」と、コリーン・マーフィ教授は説明する。

緑膿菌の摂取によって病気になった個体は、多くの場合は死ぬ前に卵を産み落とす。驚くことに実験では、母線虫が死の間際に学習した危険回避行動を、それらの子孫は本能的に“知って”いた。子孫は緑膿菌に自然に引き寄せられる習性を無効にしてでも、この細菌を危険とみなして回避したのだ。しかも、これまで一度も緑膿菌に接触したことがなくでもである。

注目すべきは、親が緑膿菌に独特の「におい」にさらされただけでは十分な遺伝的要因にはなり得なく、線虫は死に至る病原体の感染なくして危険回避行動を子孫に継承できなかったことだ。このような行動形質の世代間遺伝は、いかにして引き起こされたのだろうか？

回避行動の学習により発現する神経関連遺伝子

研究者らは、親と子の両方における回避行動が、いくつかの神経関連遺伝子の発現と関連していたことを発見した。これは、感覚刺激を伝達する感覚ニューロン経路、つまり脳神経系が遺伝的回避行動において重要であることを示唆しているという。これをさらに突き詰めるため、緑膿菌に曝露した母線虫とその子孫において発現した遺伝子を、無害な大腸菌に曝露した線虫のものと比較すると、感覚ニューロン（ASIニューロン）における「daf-7」の発現が遺伝的回避行動と強く関連していたことがわかった。

興味深いのは、遺伝子操作によって「daf-7」を無効化すると、親の回避行動に違いは見られなかったものの、その子どもに回避行動が受け継がれなかったことだ。つまり「daf-7」は子孫の回避行動に不可欠であり、これが継承されるには何らかのRNA調整因子が生殖細胞に組み込まれなくてはならない。

「この危険回避を受け継ぐプロセスには、piRNAと呼ばれる小分子RNA活性が必要です」と、マーフィ博士は言う。piRNA（PIWI-interactin RNA）は、線虫における世代間のエピジェネティック遺伝経路に関与しており、遺伝子発現を抑制し、間接的にDNAのパッキングを調節していると考えられている。

研究グループは、piRNAに関連するタンパク質の量が緑膿菌の曝露によって著しく変化することを確認した。さらにpiRNA関連のタンパク質は子孫の「daf-7」発現の増加にかかわっており、遺伝的回避行動に重要であることを示した。

「daf-7」の発現による回避行動はその後4世代にわたって確認され、子孫の生存に直接影響し得ることが報告されている。しかし5世代目には、そのような回避行動の情報は薄れたとみられ、線虫は再び緑膿菌に引きつけられるようになった。この場合、「daf-7」の発現も基礎レヴェルに戻っていたという。

しかし、「daf-7」がいったい「どこで」発現するのかは、いまだ謎のままである。緑膿菌の感染に対する反応そのものが生殖細胞のpiRNAの変化を直に促すのか、はたまた緑膿菌が生命を脅かすものだと「学習」したときに神経系で発現するのかによって、意味合いが違ってくるからだ。

神経細胞内で合成される小分子RNA

イスラエルのテルアヴィヴ大学で生命科学および神経科学で教鞭をとるオデド・レシャヴィ博士率いる研究グループは、同じく6月6日付の「Cell」で発表された論文で、まさにこの「学習による遺伝子の発現起源」について追究している。彼らは、飢えや気温などの環境的ストレスが引き金となり、子孫の栄養関連の遺伝子発現に関わることが知られていた「siRNA」と呼ばれる別の小分子RNAに焦点を当てた。

線虫は、必須な栄養素をもつ食物を効率よく探り当てるために、その「におい」に引きつけられる。研究チームは、そのためには線虫の神経系でsiRNAが合成されなくてはならないことを発見した。言い換えると、神経系でsiRNAが合成されないように遺伝子操作された線虫は、食べ物を効率的に探すことができなかったのだ。

また、食物探索行動を学習した個体の生殖腺を、食物探索行動に欠陥のある遺伝子操作されたものと比較すると、1,200を超える量のsiRNA増加が見られた。さらなる実験の結果、このうち189のsiRNAは3世代目の子孫にまで受け継がれたことを報告している。

「この発見は、現代生物学における最も基本的な信条のひとつを覆すものです。長いあいだ、脳活動は子孫の運命にまったく影響を及ぼさないと考えられていました」と、レシャヴィ博士は説明する。

ヴァイスマン・バリアと呼ばれる生物学の法則は、かつて生殖細胞への情報は環境による影響から隔離されていると提唱した。しかし研究チームは、前述の危険回避行動の遺伝と同様、この食物探索行動の遺伝は少なくとも3世代に渡って持続することを確認している。

研究者たちはこれまでにも、線虫のなかの小分子RNAが世代を超えた変化を生み出すことを知っていた。しかし、神経系からの複世代にわたる情報伝達の発見は、まさに生物の適応における遺伝子学的真髄ではないだろうか。「神経系は体の反応だけではなく環境からの反応まで統合できるという点で独特です」と、共著者のひとりである研究員のイタイ・トーカーはコメントしている。「それが子孫の運命すらコントロールできるという考えは驚くべきものです」

線虫の遺伝メカニズムは人間にも当てはまる？

「これが人間にも当てはまるかどうかは、いまだにわからないと強調しておかねばなりません」と、レシャヴィ博士は念を押す。「もしそうなら、このメカニズムのさらなる研究は、医学において実用的な意味をもつことになるでしょう。多くの病気には、エピジェネティックに遺伝するいくつかの要因があるのかもしれません。よりよい診断方法や治療法を設計するには、型にはまらない形態の遺伝を深く理解することが必然となります」

これらの発見は、遺伝や進化に関するわたしたちの理解に大きく貢献することだろう。線虫という小さくシンプルな生物の遺伝的メカニズムは、環境に適応するための「学習」が、子孫の生存にかかわるほどの影響力があることを教えてくれる。

われわれの祖となったすべての生命は、このように「経験」という名の環境適応方法を、RNAを通じて後世に伝えてきたのかもしれない。おそらく生物は、生存に有利な体験をゲノムに綿々と蓄えながら多種多様に進化し、現在のような豊かな生態系をつくり出してきたのだ。