捕食者と獲物のテトロドトキシン耐性ナトリウムチャネルの収束進化

同様の適応特性の収束進化は、一般的または異なる分子および生理学的メカニズムから生じる可能性があります。収束表現型にわたる基礎となる機械的類似性の程度を決定する力は、非常に議論され、よく理解されていません。一部のガーターヘビは、化合物テトロドトキシン（TTX）をブロックするチャネルを備えたイモリを消費することができます。無関係な系統に属しているにもかかわらず、捕食者と獲物の両方は、電圧依存性ナトリウムチャネル（NAV）の化学的および構造的変化を伴うTTXに対する耐性の著しく類似した生理学的メカニズムを独立して進化させました。この捕食者とプレーのペアにおけるTTX耐性の進化は、分子収束の原因を探ることができる自然な実験を構成します。ここでは、TTX耐性を進化させた動物のNAVチャネルのアミノ酸変化のレベルでの幅広い収束パターンをレビューし、TTXによって課される選択的圧力の下で進化しなかった既知のTTX耐性チャネルと比較します。収束は、TTXのターゲット特異性の相互作用と分類群間で共有されるNAVの機能的制約に起因する可能性が高いと結論付けています。これらおよびその他の要因は、チャネルの進化を制限して、機能的に許容されるいくつかの適応経路を好む可能性があります。これは、チャネル構造の変化の観測された予測可能性を説明できます。NAVチャネルでの収束の機能的原因を研究することにより、神経系の進化の中心にあるこれらの重要なチャネルタンパク質の役割を理解することができます。

Convergent evolution of similar adaptive traits may arise from either common or disparate molecular and physiological mechanisms. The forces that determine the degree of underlying mechanistic similarities across convergent phenotypes are highly debated and poorly understood. Some garter snakes are able to consume newts that possess the channel blocking compound tetrodotoxin (TTX). Despite belonging to unrelated lineages, both the predators and prey have independently evolved remarkably similar physiological mechanisms of resistance to TTX that involve chemical and structural changes in voltage-gated sodium channels (NaV). The evolution of TTX resistance in this predator-prey pair constitutes a natural experiment that allows us to explore the causes of molecular convergence. Here, we review broad patterns of convergence at the level of amino acid changes in NaV channels of animals that evolved TTX resistance and make comparisons to known TTX-resistant channels that did not evolve under the selective pressures imposed by TTX. We conclude that convergence likely stems from the interplay of the target specificity of TTX and functional constraints of NaV that are shared among taxa. These and other factors can limit channel evolution to favor a few functionally permissible paths of adaptation, which can explain the observed predictability of changes to channel structure. By studying the functional causes of convergence in NaV channels, we can further our understanding of the role of these important channel proteins at the center of the evolution of the nervous system.