国立先进产业技术综合研究所［理事长中钵良二］（以下简称“AIST”）生物过程研究部［研究主任田村智宏］合成生物工程研究组宫崎健太郎研究组组长（东京大学先端科学研究生院客座教授）佃美雪在原AIST技术研修生（兼）、前先端科学研究生院博士生的合作下，东京大学（现花王株式会社安全科学研究所）、北海道大学【校长名和丰治】和科学研究生院特聘助理教授北原圭共同开发了顶级细菌系统发育分类门两种不同水平的细菌核糖体包含16S 核糖体 RNA (rRNA)进行了比较功能分析并发现大部分16S rRNA基因之间的序列差异对功能没有明显影响，而16S rRNA基因中性进化我已经证明了我是。
这个结果是由于这个基因进化系统发育分析分子钟“进化中性”的基本要求。分析结果表明，核糖体进化中大多数物种特异性碱基序列变异不会影响核糖体功能。另一方面，这一事实表明物种间的16S rRNA重组相对容易，并且有望被用作检查16S rRNA基因作为分子钟的适用性的重要知识。
这项研究的详细内容发表在2017年8月30日的《英国科学杂志》上（英国时间）科学报告
 |
核糖体30S亚基的3D结构（蓝色：16S rRNA，白色：21种核糖体蛋白）
它具有极其复杂的结构，由RNA组成，周围环绕着彼此紧密相互作用的蛋白质。 |
阐明微生物的进化系统发育关系，为阐明生命的诞生及随后的进化过程提供了重要线索。然而，与植物和动物不同，微生物几乎没有化石，因此根据化石来估计微生物的进化历史极其困难。因此，迄今为止，微生物的系统发育关系都是从分子系统发育关系的角度来讨论的。准确反映生物体系统发育进化的“分子标记（分子钟）”的要求是：（1）它必须存在于所有生物体中；（2）它必须是每个物种所独有的；（3）无论物种如何，其功能必须相同；（4）无论物种或生长环境如何，进化速度（基因突变的速度）必须恒定。然而，几乎没有分子能够满足所有这些要求。
rRNA是一种生物聚合物，始终存在于所有生物中，特别是16S核糖体RNA（16S rRNA）基因被认为是分子钟，并被用作原核生物进化谱系分类的指标。到目前为止，微生物是根据基因的相似性进行分类的，基因由大约 1,500 个碱基组成。然而，16S rRNA是否满足作为分子钟的要求，特别是要求（3）和（4），至今尚未得到实验验证。
核糖体根据生物体中的遗传信息合成蛋白质翻译16S rRNA 是形成其小亚基中心骨架的分子。在AIST，我们开发了一种在物种之间交换16S rRNA的遗传方法，并发现核糖体具有翻译以外的功能（RNA酶抑制活性）。2011 年 11 月 23 日 AIST 新闻稿）。另外，大肠杆菌在进化系统发育分类中被称为“绳子''水平(2012 年 10 月 30 日 AIST 新闻稿)，彻底改变了我们对 16S rRNA 的看法，16S rRNA 具有物种特异性。
为了阐明与大肠杆菌16S rRNA功能相容的16S rRNA的系统发育范围，环境基因组（宏基因组）的16S rRNA基因进行大规模功能筛选。这项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究资助金（B）“阐明大肠杆菌核糖体可塑性和表型进化的机制”（FY2014-2014）、挑战探索性研究的科学研究资助金“通过rRNA替换突变研究核糖体可塑性” （2012-2012 财年），科学研究补助金这项工作得到了新学术领域研究“通过修改翻译系统创建人工细胞”（2012-2012）的支持。
16S rRNA基因对于细胞生长至关重要，如果引入的16S rRNA不起作用，细胞将无法生长。在本研究中，我们将源自环境基因组的16S rRNA基因导入缺乏16S rRNA基因的大肠杆菌中，并证实即使属于变形菌门的大肠杆菌的16S rRNA基因被替换为来自酸杆菌门的16S rRNA基因（命名为NS11），该基因在门水平上有所不同，大肠杆菌也可以生长。然而，大肠杆菌随 NS11 引入突变株在11559_11575|中，增殖能力下降，即增殖倍增时间的伸长率观察到（图1）。
NS11和大肠杆菌16S rRNA基因在整个序列中存在334个碱基的差异，但为了粗略地探索导致增殖能力下降的区域嵌合体分析16S rRNA 是 4域名，但由于将NS11的各个结构域替换为大肠杆菌的结构域，通过替换一些结构域，生长倍增时间缩短至与大肠杆菌原始16S rRNA相同的水平。此外，在该结构域的碱基序列中，通过比较NS11和大肠杆菌，我们缩小了被认为具有重要功能的4个碱基，当我们将NS11（A1416-U1484）中的碱基替换为大肠杆菌（G1416-C1484）中的碱基序列进行互补测试时，增殖时间缩短至与原始大肠杆菌相同的水平。
 |
| 图1 含有各种16S rRNA的大肠杆菌的生长倍增时间 |
| 大肠杆菌特有的16S rRNA（图中记为Eco），源自酸杆菌门的16S。含有rRNA（图中NS11）的大肠杆菌突变株的生长能力降低（生长倍增时间延长），但在含有rRNA的突变株中，生长能力恢复（生长倍增时间缩短）。 A1416-U1484 双碱基（单碱基对）替换为大肠杆菌型 G1416-C1484（图中为双碱基）。 |
这一结果意味着将大肠杆菌 16S rRNA 基因与变形菌门以及 NS11 与酸杆菌门分开的碱基序列的大多数（994%）差异不会影响生长。换句话说，两种生物体共享一个共同的祖先16S rRNA，并且各自积累了谱系特异性突变，但其中大多数是不影响功能的“中性突变”，这是第一个实验证明16S rRNA具有分子钟所必需的要求之一。
基于这些结果，我们提出了“摇篮模型”作为核糖体的进化模型。在这个模型中，功能所必需的 rRNA-蛋白质相互作用是在门水平分化之前在共同祖先中形成的，并在随后的物种形成过程中持续存在。大多数物种特异性突变与功能无关（图 2）。利用这个模型，16S rRNA重组可以在物种之间相对自由地进行，如目前的结果所示（水平传播很可能会发生）也可以很好地解释。另一方面，结果对 16S rRNA 作为分子钟的另一个要求：物种特异性产生了怀疑。未来有必要明确16S rRNA基因水平传递的可能性和频率。
 |
| 图2核糖体进化的摇篮模型 |
祖先核糖体在进化过程中积累了各种物种特异性突变，这些突变需要功能表达所需的相互作用 ( ）无法被破坏。因此，即使RNA在物种之间交换，相互作用也得以维持，核糖体的翻译活性功能也得以维持。 |
将来，我们计划通过分析除酸杆菌之外的每个细菌门的个体功能，验证目前结果所暗示的核糖体基本结构的形成发生在细菌物种形成的哪个阶段。