Jpn. 1. Phyco.l (Sorui) 55 : 18 1‑ 186 ，Noy巴m ber 10 ，2007

ワークショップ B

D N A を用いた藻類の集団解析ー海藻・アオコ・赤潮研究の最前線ー

田辺雄彦: 有毒 アオコを形成するラン藻 M icrocystis aeruginosaの集団遺伝学 遺伝子の変異ノ f ターンから何が読み取れるか?
生物の種 内の遺伝的変異は， 突然変異 (mutation)，組み換え (r巴combination) ，移住 (migration) ， 遺 伝 的 浮 動 (genetic

drift)， 淘 汰 (s巴l巴ction) の 主 に 5 つ の 進 化 力(巴 volutionary

force) の作用を受けて時間とともに変化 してしぺ 。その結果として， 短期的には種内集団の分化が起こ り，よ り長期的に は極分化が起こる。 このメカ ニズムはバクテ リアか ら高等動物に至るまで，いかなる生物種においても基本的には変わりない。 しかしながら，バクテリアには高等動物と大きく異なる点がある 。

有性生殖の不在，及びそれに付随する毎世代 ごと の遺伝子の組

み換えの不在である 。その一方で，バクテ リアにはベクタ ーをえに焦点を絞り ，こ れについて初めに これまで、バクテリアの分子集団遺伝学的研究によって得られた知見を解説し，次に筆者らが行っている有毒ラン務 M icrocystis aeruginosa の組み換えと遺伝構造を放った研究を紹介 したい。

パクテリア集団解析の手法. . . . . . . . Multilocus sequencetyping ( M L S T )分子集団遺伝学研究に際してまず必要なこ とは，適切なマ ー

カーの選択である。他の生物種がそうであったように，古くはバクテ リアの極内変異の解析に用いられた主要なマ ーカーは，介した遺伝子水平移動機構が広く存在する。 このメカニズムも複数( 通常は 十数個以上) の酵素の電気泳動パタ ーンを調べ

ピエン ト個体へと一方向的である点， 一度に起 こる組み換えのあった。 この手法は安仙￨ で大量にサンフ。
ルを処理できるという

有性生殖同様に組み換えを引き 起 こすが， ドナー個体からレシ

規模が小さ い( 数百 bp "') という点，頻度は低い ものの系統る(担ultilocus

M L E E ) とい うもので利点の反面， i酵素の電気泳動ノ号タ ーンを変化させるような突然的に離れた別種個体とも組み換えを起こすという点，などで有変異 しか検出できないという潜在的な欠点があった。事実，後前述の 5 つの進化力のうちの一つ 組み換えの遺伝的変異への見逃されていたことが明らかになり， D N A シークエンス技術

性生殖と異なっている 。 このような相違のため，バクテリアは影響が，毎世代ご とに組み換えが起こる高等動物とはかなり異なったものになっている可能性がある 。事実，P C R 法とシ ークの D N A 配列による解析の結果から，多くの重要な突然変異がのローコス ト・ハイスル ープッ ト化と相 まって，その主役の座を D N A 配列を利用する手法に譲ることとなった。また， D NA

エンス技術の発達により大量に遺伝子配列を決定することが容

配列情報はデータベースを通じて研究者間で共有可能なため，心を集め，バクテ リア特有の遺伝様式に 即し た methodology

タ同士を 比!校するこ とができなしりというネックも同時に j鉱治易になった 1990 年代初頭以降，この問題は多くの研究者の関が開発されると共に， これを利用する ことによ って様々な種類のバクテリア自然集団における組み換えの影響が調べられている。本総説では，前述の 5 つの進化力の中の一つである 組み換M L E E のもう 一つの欠点であった「巽なるラボで得られたデーされた。現在の主流は，実質 M L E E の D N A 配列版である

阻ulti!ocus .s̲equence lyping ( M LST) である o 1¥伍S T は，ゲノ

ムに散在する複数( 推奨は経験則に より 7 つとされている，このP C R によりマー力一遺伝子( 推奨は 7 つのハウスキーピング遺伝子座)を取得し、 D N A配列を決定する'

βs 2，g lnA ，g lt，() g yrB，p gi，recA ，tpi
jts 2

・‑

T AC 1 8 2 ' 2 9
TA C 1 7 6 'TAC190TA C 1 8 0
TA C 17 9刊N IES I 0 3 'NIES1O;: ，10

NI E S 8 8 ' T A C 1 6 7

』
ー
ー
ーー
ー
'
それぞれの遺伝子座について、同一の対立遺伝子を同じ数字で表現する 。ー
図 1

StrainNIES89NIESI02
NIESI03
TAC62

S T ft...z
4
4
10
9
1日 9
4
4

TAC176
TACI77
TAC178TAC182
TAC183

29
48
48
29
29

h

18
30
3日
18
18

， gllX̲ ̲̲g y r s

gu A

4
9
9
4
4
21
15
15
21
21

4
8

4
8

4
4
3
23
23
3
3

4
4
17
31
31
17
17

B

B

4
9
9
3
36
36
3
3

T

l!cA

伊

4
4
14
34
34
14
14

4
4
20
33
33
20
20

4

日

B

フ遺伝子座の配列の組み合わせで示される遺伝子型を Sequence lype (S T)と呼び、同様に数字で表現する

M L S T の手順。

182

数は M L E E に必要な遺伝子座の半分以下である) のハウスキーの複数のマーカー遺伝子座の連鎖不平衡( 遺伝子座聞の対立遺ピング遺伝子座，それぞれ 450 bp 程度の D N A 配列をマーカー

伝子の組み合わせがランダムではなく，連鎖が見られる状況の明をすると以下のようになる。まず各個体について，それぞれの遺よって，バクテリアの自然集団における組み換えの影響を評価とするというものである (Maiden et a.
l 1998)。本手法について説

ι ，index of l!sssociation) にこと) の程度を定量化する指数 (ιは，「集団内で組み換えが起伝 子 座 を 陀R で取得した後， D N A 配列を決定し，その結果かする方法を提案した。この指数( 同じ配列の対立遺伝子は同じ数字で表す，数値の近さと配列の近場合に比べて相対的に個体聞の遺伝距離が小さくなる J，という解析した遺伝子座の数に相当する) の数字の組み合わせによって(panmictic) に匹敵するほど起こっている時に O となり，組み換えの影響が小さくなればなるほど大きい正の値をとる (clona。
)lら各対立遺伝子に配列の同一性のみに基づいて数字を割り当てる縁性は全く無関係) 。この結果，一個体の遺伝子型は 7 つ に れ は決定されることになる。この複数の遺伝子座の組み合わせによる遺伝子型のことを Sequence I'ype (ST ) と称し，この ST に対してもその組み合わせの同一性のみに基づいて数字を割り当てる。この

こると，個体聞で遺伝子が混ざりあうために，クローン増殖の原理を利用している。この指数は，組み換えがランダム交配型(図 2) 。指数

ιは， 2 つ以上の遺伝子座をマーカーとする方法

であるならば， M L S T に代表される D N A 配列ベースの手法は結果，例えば X 株の遺伝子型は ST 22 である，というように，各勿論のこと， M L E E のような酵素電気泳動データ，マイクロサ示す。 M L S T がバクテリア集団解析の主流となっている背景には，適用可能である。また，遺伝子型の数値化に簡単な規則を噂入

く，タンパクをコードする遺伝子の D N A 配列情報が幾っか得ら用することもできる。このため，この分類法はバクテリアのみ実がある。実際， M L S T で集団レベルの解析はほぼ足りているが，さらにこの指数を元にバクテリアを含む微生物の遺伝構造を以個体の遺伝子型が数値で表現される。図 1 に以上の手順の概略を

バクテリアは真核生物に比べて一般に種内の遺伝的変異量が大きれれはそれで十分に個体識別が可能である，という経験的な事

テライトのような繰り返し配列など，あらゆる種類のマーカーにすることによって，半数体のみならず 2 倍体の生物の解析に利ならず真核微生物にも適用されている。 Smith et a.
l (1 993) は，

疫学的な興味等から更に詳細な個体識別を行う必要に迫られた場

下の 3 つに分類することを提案した( 図 2) 。

いる，主紅iable !!umber of 伊ndem repeat (VNτR) と呼ばれる(1) clonal" ( クローン型)

protein)，病原性遺伝子 (virulence gene) などを付加的に用いる場合もある。現在， M L S T は英国の Imperia1 College がホストになって web データベース化されており，世界中のあらゆる研究
者が様々な微生物種の M L S T データを簡単に利用できるようなシステムとして提供されている( http://www.m1s.
tnetl)。この web サ
イトは最近さらに改良され， G ∞副e Maps/Google E a r t h とのカップリングによって，遺伝子型 (ST) の分布を地図上に載せ，どの地換えは起こっていないか，あるいは起こっていても対立遺伝子

合は，ハウスキーピング遺伝子より高変異性であることが知られて繰り返し配列，細胞壁・膜系のタンパク (cell surface‑associated

対立遺伝子の組み合わせには連鎖不平衡が認められる。組みの組み合わせがランダムになるほどではなく( 連鎖不平衡) ，その効果は限定的。 I
A が O より有意に大きくなる。

(2) panmictic" ( ランダム交配型)

組み換えの頻度が非常に大きし対立遺伝子の組み合わせはランダムであり，連鎖が認められない( 連鎖平衡) 。遺伝的多域にどの遺伝子型がどの程度分布しているか，などの情報を傭眼様性に及ぼす組み換えの効果は，有性生殖を行う高等動物と同クローンかランダム交配か? ‑ パクテリアの遺伝構造
バクテリアは分裂によって無性的に増殖するため，娘細胞に(3) epidemic. ( 流行型)

的に見られるような工夫がなされている。

等である。んは O より有意に大きくならない。

高度に適応的なクローンが大量に増殖した結果，クローン構は親細胞のゲノムのコピーがそのまま伝わる。このため，組み造のように見えるが，この例外的なクローンを除けばランダムな一つ，或いは少数のクローンで構成されるはずである( クロー

特定の遺伝子型がクローンとして爆発的に増える状況が観察さ差異は，全て突然変異の蓄積に由来すると考えられる。しかしながら，実際にはバクテリアにおいても，プラスミドやファージ

るとんは O より有意に大きくなるが，これは同ーの遺伝子型が大量に分離されたことに起因している。この偏りを排除するた

き起こす機構が存在することは古くから知られているところであの最小化したサンプルに基づく解析の元では，換えが起こらない限り，バクテリアの種内集団は遺伝的に均一
ナル・モデル) 。このモデルの下では，各クローン聞の遺伝的な等の染色体外遺伝因子の遺伝子水平移動を介して組み換えを引る。( 例えば，分子生物学研究において，あるバクテリアの遺伝

子をノック・アウトする際に用いられる方法の一つは，この組み換えを利用しているのに他ならない。) ここで問題となるのは，組み換えがバクテリアの「自然集団」において，実際にどの程度作用し，遺伝的変異に影響を及ぼしているか? ということである。この問題に取り組むため， Smith et al. (1 993) はゲノム中交配型である。病原菌の大流行時には，しばしば感染性の強いれるが，その場合によく見られる遺伝構造。全ての個体を含めめには，重複を除いた単一の遺伝子型のみを用いればよしこ

ιは O より有意に大きくならないことで，前の二つの遺伝構造と区別できる。

実際にこの指数んを利用することにより，これまで様々なバクテリア種について集団の遺伝構造が調べられている。その結果は，バクテリアは種によっては勿論のこと，同一種内の集団によっても異なる遺伝構造を形成しているというものであった。ところで

183(1) クローン型 、lonal"(2) ランダム交配型 "panmictic"

〆
。
o点
。

(3) 流行型"巴pidemic"

遺伝子座 A遺伝子鹿 B
遺伝子座 C

ゲノム

頻度

F国1

ト昨l

制廿

遺伝型聞の遺伝距離「遺伝距離の分散が大きい」

白抜きの篠グラフは、頻度の高い遺伝子型( 右端) との距離を表す。これらを除くと、
分布 1;1:" panmictic" になることに注意。

「遺伝距離の分散が小さい」
VO =VE

VO >VE

ι=(Vo /V )‑l

JA lndex of 盆ssociation (Smith etal. 1993)
Vo)E

泣伝距離分散の観察値

V E，
遺伝距離分散の帰無仮説、 anmixia" の元での期待値(;主 )r二つの個体聞で異なっている遺伝子座の数Jを遺伝距離として用いる。

a b c d e f g

1 2 2 2 1 1 1
3 3 3 2 3 3 2
7 3 2 1 4 4 1

遺伝子座

a b c d e f g

菌株

A 1 1 2 2 2 1 1
B 2 2 3 3 3 3 3
C 3 7 4 4 2 1 1

亡
今
内
︿
d

勺

f
‑

b FM A
U e1
2 L 1
4 1
コd
d
3 ︑
q
J
ム 1
3 ‑ 可
4
勺

J

‑

全ての株

子
晶

1
4ぺ
5
4
4
a

内

ud
内
J
L

内
ノ

‑
n
q

‑

fA

。

(2) ランダム交配型> 0 2)(3) 流行型
￨玄12

‑

b
2
3
4

C

d e
︑

司 ?﹄
上 ハ
フ ノ
﹄
勺 ι
︐ 勺
︐ 4

1
3
1

p

十
ム
内
ノ
﹄
﹁
叫
d
ヘ
︿

d

α
f
i
q
d
l

ム
C A e
苛
U
1 よ
i 1よ
内
q
J
q
っ 4
4 3 d
守 d
i J a 1ム 2 A
a
a
‑ ‑
.

a

内

ι
J

h
u
q〆

5

句

﹄
円

司

頻度

に
今

内
M
d
内
ノ
﹄
内
ノ
句
﹁

f

ユニークな S T の み 1)

> 0 2)(1) クローン型

よ
﹁
句
d
A

帰無仮説 "panmixia " I二基づき、対立遺伝子の組み合わせをランダム化したデータをつくる
R
d
1ム

元データ

﹃

d
1

。
。

> 0 2)'" >0。

それぞれについてらを求めて'1，の帰無分布をつくり、'"が有意に 0 より大きいか検定する。

ピ71) 1重複する S Tを除いた解析

2) 有
意に0 より大きい

記I伝構造の極鎖とその分類のための指数

この指数 ん の値は，解析に含めた遺伝子座の数が増えるに従っassociation" (Haubold & H u dson 2000) が用いられることも多た他の研究結果と組み換えの程度を比較しようとする際に不都合非常に受けやすい指数であるため，これら の値を比較して組み換が生じる。 このため， 最近 では ん を解析に含めた辿伝子座の数に依存しないようにo (panmictic) から 1 (strictly clonal) までの値を示す ように標準化した値，l;¥ ，standardized ind巴X ofい( もっと も，実 際 には f;¥ も j5;¥ もサンプ リン グの偏りの影響をえ頻度の大小を論じることは、ほとんどされていなかったりする)。
指 数 ん の利用に よって解明された種々のバクテリア，及び真核微生物の遺伝構造の実例の一部を表 l に示す。

184

表 1 各生物における遺伝構造の分類
生物種
バクテリア

Baci/lus cereus (Vilas‑Boas et al .2002)
Baci/lus thuringiensis (Vilas‑Boas el al. 2002)
Baci/lus thuringiensis サイト " F t!集団 (Vilas・Boas el al. 2002)
Pseudomonas ae間，'ginosa (Lomholt et al. 200 1)
Streptococcus pneumoniae (E町 ight & Spratt 1998)
Microcystis aeruginosa (Tanabe et al .2007)
アーキア

All

IA

All

ST

0.286
0.771
0.157
0.274

ST

0.195
0.507
0.526
0.148
0.478'
1.755

3.608

Sulfolobus islandicus ( W hi批 er et al .2005)

真稼生物
Plasmodiumfalciparum (Smith et al. 1993)
Plasmodiumfalciparum コンゴ集団 (Ande路 on et al. 2000)
Plasmodiumfalciparum コロンピア集団 (Anderson et al. 2000)
Tηpanosoma brucei ウガンダ集団 (Macleod et al .2000)

IS A

0.19

0.19

0.548

1.340

・

遺伝構造

マーカー

parumchcclonalpanmictic
epidemicclonalclonal

MLEE
MLEE
MLEE
MLEE
MLST
MLST

epidemic

MLST

0.076

0.033

0.00180.0597

panmichc
MLEE‑0.0046 panmictic Microsatellite
0.0133 epidemic Microsatellite
epidemic Microsatellite(P < 0訓 )事有意に O より大きい値

Microcystis aerug加，o s a ‑ アオコの原因ラン藻

シンセターゼ也:on‑ribosomal ，p olypeptide

構の解明のため，数年前より Microcystis aeruginosa を対象とこの遺伝子クラスターの中の m c y A 遺伝子配列を比較解析した結筆者らはアオコの大量発生や分布拡散メカニズム，種分化機した集団遺伝学的研究を進めている。 Microcystis aeruginosa(Kutzing) Lemmermann は，富栄養化した淡水域の湖沼等におNRPS)と称する遺伝子のいずれか，あるいは両方に該当する。筆者らは，果から ，M . aeruginosa の個体聞でこの遺伝子内に組み換えが起こっていることを明らかにした( 図 3)omcyA のみならず，m c y D，
G，

いて大量発生し，いわゆるアオコを形成することで知られるラン藻

J の系統関係にも互いに不一致が見られることから ，mcy 遺伝子

目 (Chro∞∞cales) に含まれ，単細胞性，寒天質に包まれたコロ

et al. 2

ることなどで特徴付けられる。本種はコロニー形態のバリエーショ

いる例( いわゆる gene conversion) も見出されており，それに類( シアノバクテリア) の一種である。分類学的にはネンジュモ
ニーを形成すること，及び浮遊生活を可能にするガス胞を有していンが著しいことで知られる。事実，本種は古くはコロニー形態の相違から， 5 つの異なる種 (M. aerug仇osa，M . ichthyoblabe，M.

novacekii，M . viridis，M . wesenbergii) として認識されていたが，
Otsuka et al. (2 1) によって一種に統合されたという経緯があ∞る。本種は世界中で分離されており，分布はコスモポリタンであると考えられている。また本種はアオコを形成することから，淡水漁業やレジャー等の現場で悪臭や汚染等の水環境問題を引き起こす生物として周知されている。さらに，本種の中には急性肝炎を引き起こすアオコ毒素ミクロシスチンを生産する個体が少なからず存在する。実際に飲料水等へのミクロシスチンの混入による中毒事故が世界各地で起こっていることから，水資源の安全な利用という公衆衛生上の観点からもしばしば問題視される。

M . aeruginosa のアオコ毒素遺伝子における組み換え
M . aeruginosa の一部の個体は，前述のようにミクロシスチン

を跨ぐような大規模な組み換えも起こっているようである (Tanabe∞4)。また mcy 遺伝子の組み換えは相阿部分のみならず，異なる遺伝子間 (mcyB とm りのとの間でも組み換えが起こってよって部分的に異なる構造を持つミクロシスチンが作られている∞3)。一般にバクテ可能性も示唆されている仏但kalsen et a.
l2

リアの組み換えのホットスポットに該当する遺伝子には，細胞表層の抗原や薬剤耐性遺伝子に代表されるように，いわゆる正の多様性選択 (positive diversifying selection) が作用していることが多い (Smi出 et al. 1991)。この意味において ，m c y 遺伝子の組み換

えの適応的意義を考察することは興味深い問題であるが，そのためにはまずミクロシスチンの生物学的機能を知る必要がある。ミク

ロシスチンの機能については，古くからアレロパシー，金属イオン

スカベンジャーなどの可能性が指摘されており，最近では細胞外シグナル伝達因子として機能しているという新説も提示されてい∞7)。残念ながら，現時点ではこの問題についる (Schatz et a.
l2ては決定的な解答が得られていないため，m c y 遺伝子の適応進化の可能性に関する議論は，今後の研究の進展を待たなければならない。その一方，mcy 遺伝子が組み換えのホットスポットになっというアオコ毒素( シアノトキシン) を生産する。ミクロシスチンているかどうかについては，他の遺伝子との比較によって推察す

リペプチドであり ，m c y A B C D E F G H I J の 10 個の遺伝子から成えは，ミクロシスチン遺伝子のみに特異的に見られる現象なのでは7 つのアミノ酸( 非典型的なアミノ酸を含む) からなる環状ポ

るミクロシスチン・シンセターゼ遺伝子クラスターによって生合∞O)。これらの 10 個の遺伝子の成されている (Tillett et al. 2

ることができる。つまり， M . aeruginosa における個体間の組み換あろうか? それとも，広くゲノム全体で起こっている現象がたまたま調べた mcy 遺伝子で顕在化しただけなのであろうか? という疑うち，機能不明の m c y H を除いた 9 個の遺伝子は，バクテリア・問に言い換えられるわけである。この点を明らかにするための一つ

但olyketide

調べる，つまり M L S T を利用するというものである。ハウスキー

菌類に広く分布していることが知られるポリケタイドシンターゼ

PKS)，及び非リボゾーム型ポリペプチドの方法は， M . aeruginosa の複数のハウスキーピング遺伝子座を

18 5

表2

各湖沼における ん

全ての株 (n = 1 6 4)

ユニー クな ST のみ (n = 79)
霞ヶ打I
i (11 = 25)

奥多摩湖 (n = 1 5 )白相 t榊I (11 = 12 )
諏訪湖 (11 = 14)

3.608'

1.755'
4.227'

6.000
6.000'
5.084'

持有意に Oより大きし、
値 (P く 0 00 1)(注)奥多摩湖と白樺湖の 1"の値は，理論上の最大値(解析した遺伝子座の数か ら1 をヲ￨ いた数，
今
回は 7 つの遺伝子座を使用 したので 6 となる)を示す。(つま り，
こ の二つの集団では組み換えが全く起こっていない。
)
次に，前述の指数 ん を用いて M . aeruginosa 遺伝構造の分類

SI!
"ai"
r2 0‑3

0

334

691

1242 bp

clonal" であるこ

. 2007)。 しかしながら，こ の結果のとが示唆された (Tanabe et alu N O C C 019
図3

S T (79 遺伝子型) のみを用いた解析の双方において， 1" は有意に O より大きく ，M . aeruginosa の遺伝構造は

I'C C 7820、を試みた。統計的検定の結果，全 164 株を用い た解析， 単一の解釈には次の点に注意する必要がある。つまり，各湖沼聞に地理II1 cyAの遺伝子肉緩み換え

ミクロシスチン生合成遺伝子と mcyA の逃伝子内組み換え的な隔蹴が生じている場合，そのような集団を一緒に解析 してしまうと，元来pan m.i ctic" である種を，誤って clonal" と判定してしまうことがある。なぜならば，集団聞に地浬的な隔離が生じると， たとえ組み換えのポテンシャルは高くても，各集団同士の接ピング遺伝子座は一般に 中立遺伝子であり ，組み換えのホッ トス

触の機会が少なくなるため に， 結果として組み換えの頻度が小さによ り解明された組み換えの有無及び頻度は，ゲノ ム全体の組みいた国内 4 箇所 の湖沼 を 選 択 し 湖 沼内の集 団単位でんを計算

ポッ トに なっ てい る例 はほ とんど報告されて いないため，M L S T
換えの有無や頻度を大枠で反映して いるもの と考えられるからである。そして同時に， 複数のハウスキ ーピング遺伝子座の組み換えを調べるという作業は，本文前半で解説した「種内集団の遺伝構造を調べる J，とし 寸研究に繋がるわけで、ある。筆者らは ，Maer昭 inosαに前述の h伍 S T 法を適用 してみ ることに した。

くなって しまうからである。そこで，比較的多 くの個 体が得られてして統計的検定を行ってみた。その結果は，各湖沼の集 団間でもclonal" であるというものであり， 中には全く組み換えが観察 されない集団( 白樺湖と奥多摩湖) もあった( 表 2) 。これらの結果から，M . aeruginosαの遺伝構造はやはり

clonal" であり，個体聞る程度の影響を及ぼすもののその効果は限定的であり，有性生殖

M. aerug;nosa の 遺 伝 構 造に匹敵する レベルには達していないということが示唆される。シア

aeruglnosαのゲノム中の 7 箇所のハウスキ ー ピング遺伝子座

はある意味当然のこ とのように思えるかも しれないが，バクテ リアの

筆 者らは ，M . aeruginosa の 集 団 遺 伝 学 解 析 の た め ，M .

(jtsZ，glnA ，gltX，gyrB，pgi，recA ，tpi) をマ ー カ ー とする
h任，ST プロトコ ールを構築した (Tanab巴 et al. 2007)。 日本産を中心に同種 164 培 養 株 を 選 択 し 開 発 した 恥1 LS T 法によって遺伝子タイピングを行った。得られた D N A 配列データについて，それぞれの遺伝子座ごとに系統解析を行い比較し てみたところ，各遺伝子座の系統関係の聞に多くの不一致が見られ，またこの不一
致は最尤法に基づく統計的検定 (SH test) によっても有意であることがわかった。組み換えが全く 起こ らない「完全なク ロー ン構造」の場合にお いては，ゲノム 中のどの遺伝子を ヒ。
ックアップして系統解析を行っても，全く同様な分JI皮パターンが得られるはずである。

このため，今回の結果は，ハウスキーピング遺伝子座間においても，

個体聞の組み換えが少なからず、起こ ってい ることを示唆してい る。

M . aeruginosa における組み換えはアオコ毒素遺伝子 m り7 に限ら

ず
，
ゲ
ゲ、
ノムワイドに起こつていることはほぼ間違いないようでで、あるが，

m cりy とハウス キ一ピ
ン
ク
グ
グ
、遺伝子
守、
座
j 主組み換えの間でに差奥異‑ が見られるかどうカか〉を調べるこ とは， 今後の課題である。

ノバクテ リアの「分裂増殖」という繁殖形体を考えれば，こ の結果
中には 8 acillus 属細菌のよ うに，分裂により鴻殖するのにも関わらず， panm.ictic" な遺伝構造を形成する種も少なからず存在する

ic な 8 acillus 属細菌 は，実こと には注意 した
し， (表 1)0 P an m.ict

験系で、形質転換 が容易に起こる ことが知 られているため，自然界においても組み換えを51き起こ す類の外来フ。
ラスミドの取り込みが頻繁に起こっているのであろう 。水塊中には淡水 ・海水を問わず，大量 にファ ージやフ。
ラスミドが存在 して いる ことが知られており ，M.

aerugmosαに感染するベクタ ーも幾つか同定されている。それにもかかわらず，M .aeruginosαは clonal" であるという ことは，細胞内へのベクタ ーの取り込みプロセスの段階で何らかの制限がかかっている可能性が高い。実際，前述のように同じ湖沼聞の個体

在はこの考察 と矛盾 しない。興味深い こと に，M . aeruginosαは実験系での形質転換が「可能だが難ししりバクテリアとして匁陥れている。8acillus 属細菌 と対照的なこの観察結果は ，M . aerugin.osaの clonal" な迫伝構造の一因を反映しているのかも しれない。

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応用に向けてバクテリアの集団遺伝学研究から得られた成果は，単に進化学的な知識の蓄積に留まらない。実際，病原性ノ T クテリアの集団遺伝学研究は，感染症の発生源の究明や抗生物質耐性菌の出現機構の解明，またこうした疫学上の問題にいかに対処すべきか，な
どの社会的ニーズによって強く推し進められてきた。また，微生物農薬の使用，いわゆるバイオコントロールに用いられる遺伝子

組み換えバクテリアの自然集団への影響評価を行う上でも，集団遺伝学の理解は本質的であろう。今回，我々の研究から M.

aeruginosa の遺伝構造は c 1onal" であることがわかったが，その結果として，応用に向けたなんらかの考察が可能であろうか?

例えば，それは将来的なアオコ駆除に向けての一つのヒントを与える。 M . aeruginosa の個体聞の遺伝子組み換え頻度が低いため，薬剤耐性やファージ、耐性に関与する遺伝子の耐性獲得が制限されている可能性がある( 多くのバクテリアでは，しば U 説 Eみ換えによって生じた変異によってこれらの耐性が獲得されることが知られている) 。つまり，薬剤やファージの利用によるアオコ駆除は，比較的効率よく機能する可能性がある。

今後の展望

本総説においては，バクテリア個体聞における遺伝子の組み換

え，及びそれをベースにした遺伝構造の分類について解説し，実例としてアオコ形成ラン藻 Microcystis aeruginosa の組み換えと遺伝構造を解析した例を紹介した。しかしながら，冒頭で述べたように，実際は集団の遺伝的多様性に関与する力は組み換えだけではない。組み換えと他の 4 つの力( 遺伝的浮動・淘汰・

移住・突然変異) がどのように作用した結果として，現在の M.

aeruginosa の種内変異のパターンが形成されたのか，を明らかにすることは今後の重要な課題である。また，それぞれの進化力の中身を精査することは更に重要である。なぜならば，例えば淘汰機構の理解は大量発生メカニズムの解明と表裏一体であるだろう

し，移住のパターンを理解することは，アオコの拡散プロセスの理

解そのものであるからである。筆者らは現在， M . aeruginosa の集団遺伝学的諸問題の全容解明のため，網羅的・集中的なサン

プリングを行って解析を進めているところである。この網羅的・集中的というのは，実はかなり本質的である。バクテリアは前述の通り，真核生物に比べると種内変異がたいへん大きいことで知られており，また一方で demography が不安定( 局所的に突然大量発生したり，絶滅したりと言ったような状況) でもある。言うまでもなしこのことは M . aeruginosa についても例外ではない。このため，アオコの集団解析の結果がどれだけ信頼できるものになるかは，実はいかに大量に，そして満遍なくサンプリングすることができるかにかかっている，と言っても過言ではないのである。

引用文献
Anderson，T. J.，Haubold，B.，Williams，J. T.，Estrada‑Franco，
J. G.，Richardson，L.， Mollinedo，R.， Bockarie，M .，Mokili，，.J Mharakurwa，S.，French，N.，Whitworth，，.J Velez，1. D.，
Brockman，A. H.， Nosten，，.F F e n白百， M . U. & D a y，K. P. 2000.

Microsatellite marker百 reveal a spec佐u m of population struc制 民S
in the malaria parasite Plasmodium falciparum. M ol
. Biol. Evol
.
17: 1467‑1482.
Enright，
M . C. & Spratt，
B. G. 1998. A multilocus sequence typing
scheme for Streptococcus pneumoniae: identification of clones
associated with serious invasive disease. Microbiology 144 (Pt11): 3049ー
3060.
Haubold，
B. & Hudson，R. R. 2000. LlA N 3.0: detecting linkage
disequilibrium in mult i 1 凹凶 data. Bioinformatics 16: 847‑848.
L ornholt，J. A.， Poulsen，K. & Kilian，M . 2001. Epidernic population
structure of Pseudomonas aeruginosa: evidence for a clone thatis pathogenic to the eye and that h ぉ a distinct ωmbination ofvirulence factors. Infec.
t I m mun. 69: 6284‑6295.
C. M .
M a cLeod， A.， Tweedie，A.， W e l b u m，
S. C.，
Maudlin，，.1 T u mer，A. 2 O. Minisatelli旬 marker analysis of IIη'panosoma& Tait，brucei: r巴conciliation of clonal ，panmictic ，and epidemic. Acad. Sci. U S A 97:
population genetic s住uctures. Proc. Natl
13442‑13447.
Maiden，M . C.，Bygraves，J. A.， Feil，E.，Morelli，G.，Russell，J.
E.，Urwin，R.， Zhang，Q.，Zhou，J.，Zurth，K.，Caugant，D. A.，
Feavers，1. M .，Achtman，M . & Spratt B. G. 1998. Multilocus
sequence typing: a portable approach to the identification ofclones within populations of pa白 ogenic microorganisms. Proc.
Natl. Acad. Sc.i U S A 95: 31 40‑3145.
Mikalsen，B.，Boison，G.，Skulberg，O. M .，Fastner，，.J Davies，w.，
Gabrielsen，T. M .，Rudi，K. & Jakobs巴n，K. S. 2003. Naturalvariation in the microcystin synthetase operon m c y A B C andimpact o n microcystin production in Microcystis strains. J.
2785.
Bacteriol. 185: 2774ー
Otsuka，S.，Suda，S.，Shibata，S.，Oyaizu，H.，Matsumoto，S. &Watanabe M . M . 2001. A proposal for the unification of fivespecies of the cyanobacterial genus Microcystis Kutzing ex
L em m e r m a n n 1907 under the rules of th巴 Bacteriological Code.
Int. J. Sys.t Evol. Microbiol. 51: 873‑879.
Schatz，D.，Keren，Y.， Vardi，A.， Sukenik，A.， Carmeli，S.，Bomer，T.，
E. & Kaplan，
A. 2007. Towards clarification of the
Dittmann，
biological role of rnicrocyst泊s，a farnily of cyanobacterial toxins.
Environ. Microbiol. 9: 965‑970.
Srnith，J. M .，Dowson，C. G. & Spratt，B. G. 1991. L ocalized sex in31bacteria Nature 349: 29ー
Srnith，J. M .，Smith，N. H.，O 'Rourke，M . & Spmtt，B. G. 1993. H o wclonal are bacteria? Proc. Natl
. Acad. Sci. U S A 90: 4384‑4388.
Tanabe，Y.，K a y a，K. & Watanabe，M . M . 2004. Evidence forrecombination in the rniα
ocystin synth巴加e (mcy) genes of toxic. Evol. 58: 633‑641.
cyanobacteria Microcystis spp. J. M ol
Tanabe，Y.， K ぉ ai，F. & Watanabe，M . M . 2 7. Multilocus sequenαtyping ( M L S T ) reveals high genetic diversity and clonal
population structure of the toxic cyanobacterium Microcystis
aeruginosa. Microbiolgy (in press).
Tillett，D.，Dittmann，E.，Erhard，M .，von Dohren，H.，Borner，T.
B. A. 2000. Structural organization of microcystin& Neilan，
biosynthesis in Microcystis aeruginosa PCC7806: an integrated
peptide‑polyketide syn由 自sesy由 m. Chem. Biol
. 7: 753ー
764.
V i1俗‑Boas，G.，Sanchis，v.， L ereclus，D.，L em o s，M . V & Bourguet，
D. 2002. G enetic differentiation between sympa凶 c populationsof Bacillus cereus and Bacillus thuringiensis. A p pl. Environ.
Microbiol. 68: 1414‑1424.
w h i飽ker，R. J，Grog叩， D . W . & 百 ylor，J. W. 2 5. Recombination
shapes the natural population s加 cture of the hype巾 .ermophilicarchaeon Sulfolobus islandicus. M ol
. Biol. Evol
. 22: 2354ー
2361.

∞

∞

∞

( 独立行政法人国立環境研究所)