2024 年 2 ⽉ 22 ⽇
報道関係者各位
国⽴⼤学法⼈筑波⼤学
国⽴研究開発法⼈海洋研究開発機構
国⽴研究開発法⼈農業・⾷品産業技術総合研究機構
国⽴⼤学法⼈京都⼤学

原始的ミトコンドリア DNA 複製酵素の発⾒真核⽣物の多様な系統から、祖先的なミトコンドリアゲノムの複製に関わる DNA ポリメラーゼと考えらえる rdxPolA を発⾒しました。また、系統樹上での rdxPolA の分布を検討し、真核⽣物初期進化から現在に⾄るまでの、ミトコンドリアゲノム⽤ DNA ポリメラーゼの進化シナリオを提案しました。

ミトコンドリアは、祖先真核⽣物の細胞内に共⽣した細菌（αプロテオバクテリア）から進化した細胞内⼩器官です。独⾃のゲノム（ミトコンドリアゲノム）を持っており、これはαプロテオバクテリア共⽣体のゲノムが縮退した結果です。真核⽣物の多くのグループでは、POP と呼ばれる DNA 複製酵素（DNA ポリメラーゼ）がミトコンドリアゲノムの複製をしています。
本研究では、真核⽣物の多様な系統から POP を含めて既知タイプとは異なる 10 種類の新奇 DNAポリメラーゼを発⾒しました。これらについて、それぞれの進化的起源と細胞内で機能する場所を詳細に解析した結果、その中の⼀つ「rdxPolA」がミトコンドリアゲノムの複製を⾏っており、α プロテオバクテリア共⽣体が持っていた DNA ポリメラーゼの直系の⼦孫であると判明しました。rdxPolA は祖先的なミトコンドリアゲノムを複製すると考えられ、原始真核⽣物から、現在地球上に棲息する真核⽣物に⾄るまでの、ミトコンドリアゲノム⽤ DNA ポリメラーゼの進化シナリオが提案されました。
本研究成果は、ミトコンドリアの DNA 複製機構がどのように進化してきたか、原始真核⽣物細胞内でミトコンドリアがどのように確⽴したのかを解明する上で重要な知⾒を提供します。

研究代表者
筑波⼤学計算科学研究センター
稲垣 祐司 教授
原⽥ 亮（⽇本学術振興会特別研究員DC2）
国⽴研究開発法⼈海洋研究開発機構
⽮吹 彬憲 主任研究員
国⽴研究開発法⼈農業・⾷品産業技術総合研究機構
⽮﨑 裕規 研究員
京都⼤学⼤学院農学研究科
神川 ⿓⾺ 准教授

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研究の背景ミトコンドリア注１）は、真核⽣物の祖先の細胞内に共⽣したαプロテオバクテリア注２）から進化した細胞内⼩器官です。この共⽣イベントが起こったのは、現在、地球上に棲息する真核⽣物の共通祖先（lasteukaryotic common ancestor；LECA）の出現以前であると考えられています。ミトコンドリアの内部には、その祖先の α プロテオバクテリア（ミトコンドリア共⽣体）に由来する DNA であるミトコンドリアゲノムが残存しています。ミトコンドリアにゲノムが残っているということは、ミトコンドリア内では、核ゲノムとは独⽴に、複製、ゲノムにコードされる遺伝⼦の転写、タンパク質の合成が⾏われてることを⽰します。しかし、αプロテオバクテリアからミトコンドリアという細胞⼩器官へ進化する間に起こった、ゲノム複製機構の進化については不明な点が多く残されています。
ミトコンドリアゲノムの複製を⾏う DNA 複製酵素（DNA ポリメラーゼ）としては、進化的に独⽴した複数のタイプが発⾒されています。これまでの研究では、⼤半の真核⽣物種は POP と呼ばれる DNAポリメラーゼがミトコンドリアゲノムの複製を⾏っていると考えられていました。しかし、真核⽣物の中には、POP を含む既知のミトコンドリアゲノム複製⽤ DNA ポリメラーゼを⾒つけることができないグループが多数存在しています。
また、POP はファージ注３）の持つ DNA ポリメラーゼが起源であると考えられ、ミトコンドリアとなった α プロテオバクテリア共⽣体の DNA ポリメラーゼから直接派⽣した DNA ポリメラーゼは⾒つかっていません。従って、真核⽣物進化の初期段階で、α プロテオバクテリア共⽣体が持っていた DNA ポリメラーゼは失われたと考えられてきました。
研究内容と成果
本研究では、真核⽣物の多様な系統から、互いに進化的起源の異なる 10 種類の新奇 DNA ポリメラーゼを発⾒しました（表 1）。これらについて系統解析や細胞内局在解析を⾏い、このうち、「rdxPolA」と名付けた DNA ポリメラーゼが、α プロテオバクテリアの DNA ポリメラーゼに近縁であることが分かりました（図 1A）。さらに、rdxPolA の⼀部と緑⾊蛍光タンパク質注４）を融合させ、これを酵⺟細胞内で発現させたところ、rdxPolA がミトコンドリアで機能することが強く⽰唆されました（図 1B,C）。これらの結果から、rdxPolA は、これまで⾒つかっているミトコンドリアゲノムを複製する DNA ポリメラーゼの中で、唯⼀、α プロテオバクテリアに進化的起源を持つことが明らかになりました。この結果から、①
ミトコンドリアの起源となる α プロテオバクテリア共⽣体が持っていた DNA ポリメラーゼが rdxPolAに進化したこと、②rdxPolA は、これまで知られているミトコンドリアゲノム複製を⾏う DNA ポリメラーゼの中で最も原始的であること、が⽰唆されました。
次に、⼤規模遺伝⼦配列データに基づく系統樹を作成し、主要な真核⽣物グループ間の進化的関係を調べました。rdxPolA を持つグループと、POP を持つグループの進化的関係を検討したところ、POP を持つグループの⼀つは、他の POP を持つグループよりも、rdxPolA を持つグループに進化的により近縁であると推測されました（図 2 左）。このような、系統樹上での POP を持つグループと rdxPolA を持つグループの「まだら」状の分布から、現存する真核⽣物の共通祖先は rdxPolA と POP の両⽅を持っており、主要グループが分岐した後に、それぞれのグループで rdxPolA あるいは POP が⼆次的に失われたと解釈できます（図 3）。
このように、ミトコンドリアゲノムを複製する最も原始的な DNA ポリメラーゼと考えられる rdxPolAを発⾒したことにより、真核⽣物進化の初期に起きた α プロテオバクテリアの細胞内共⽣（ミトコンドリアの獲得）イベントから現在に⾄るまでの、ミトコンドリアゲノム複製⽤ DNA ポリメラーゼの進化シナリオが提案されました。
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今後の展開本研究は、LECA のミトコンドリアゲノムの維持に機能していた候補 DNA ポリメラーゼの同定に成功しました。今後、真核⽣物の多様性がより明らかになれば、ミトコンドリアにおける DNA 複製機構関連タンパク質の進化の全容解明につながると考えられます。また、今回は DNA 複製機構の要となる DNAポリメラーゼのみに着⽬しましたが、DNA 複製機構関連タンパク質を始めとした他のミトコンドリアタンパク質についても多様性を明らかにし、ミトコンドリアの初期進化過程の解明を進める予定です。
参考図
表 1．これまでに真核⽣物で発⾒された、細菌 DNA ポリメラーゼ I 注５）に進化的に近縁な DNA ポリメラーゼの⼀覧とその機能する細胞内の場所。下線は本研究で新たに発⾒した DNA ポリメラーゼ。
DNA ポリメラーゼのミトコンドリア

葉緑体

その他

DNA ポリメラーゼのPOP, Polɤγ, PolIA,POP, PREX, rgPolA,

Polθ/ν, pyramiPolA,タイプ

PolIBCD+, rdxPolA,eugPolA, cryptoPolA

chlnmPolA, abanPolA,機能する場所

acPolA, chloroPolA

alvPolA

図 1．本研究で発⾒した rdxPolA の系統樹と蛍光写真。A：rdxPolA とそれに関連する DNA ポリメラーゼの系統樹。rdxPolA は、葉緑体で働く別の新奇 DNA ポリメラーゼ（cryptoPolA）と α プロテオバクテリ
アの DNA ポリメラーゼと進化的に近縁である。図中に⽮印で⽰した枝は、rdxPolA と α プロテオバク
テリアの DNA ポリメラーゼの近縁性を表し、この進化的関係は、⾼い統計的⽀持を受けた。B：rdxPolA
タンパク質のアミノ酸配列の⼀部と融合させた緑⾊蛍光タンパク質（GFP）を発現する出芽酵⺟の蛍光写真。酵⺟細胞の形を⽩の破線で⽰す。C：B と同じ出芽酵⺟細胞のミトコンドリアを染⾊した際の蛍光写真。⾚で⽰すミトコンドリアの局在と、B において緑で⽰す rdxPolA の局在が酵⺟細胞内の同じ位置に観察されることから、rdxPolA はミトコンドリア内に存在していると考えられる。

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図 2．真核⽣物におけるミトコンドリア⽤ DNA ポリメラーゼである rdxPolA と POP の分布例。左の系
統樹では、⽣物アとウは rdxPolA を、⽣物イとエは POP を使⽤していると仮定する。右の系統樹では、
⽣物アとイは rdxPolA を、⽣物ウとエは POP を使⽤していると仮定する。2 つの系統樹で、アとイの共通祖先、ウとエの共通祖先は、それぞれ★と☆で表した。本研究の結果、左のように rdxPolA と POP は「まだら」状の分布を⽰すことが明らかになった。

図 3．本研究で提案したミトコンドリアではたらく DNA ポリメラーゼの進化シナリオ。2 つの主要なミトコンドリアではたらく DNA ポリメラーゼである rdxPolA と POP の分布が、真核⽣物の初期進化の過程でどのように形成されてきたかを模式的に⽰している。オレンジ、⻘、⻩⾊の線はそれぞれ、α プロ
テオバクテリアの rdxPolA、POP、α プロテオバクテリアの DNA ポリメラーゼの進化の軌跡を表す。丸
印と×印はそれぞれ、DNA ポリメラーゼの確⽴と消失を⽰す。rdxPolA はミトコンドリアの誕⽣となったαプロテオバクテリアと真核⽣物との共⽣イベントに由来し、POP は真核⽣物の最後の共通祖先（LECA）との間に獲得された。現存する真核⽣物の共通祖先である LECA は rdxPolA と POP の両⽅を持っていたが（pre-LECA）、その後の進化において、真核⽣物の主要グループごとに系統が分岐した後に、それぞれの系統で⼆次的な消失が起こった。
⽤語解説
注１） ミトコンドリア
真核⽣物が持つ細胞⼩器官。酸素を⽤いて細胞のエネルギーである ATP を産⽣する。
注２） αプロテオバクテリア
細菌（バクテリア）の⼀群。ミトコンドリアの祖先となった細菌は、このグループに属しているか、極めて進化的に近縁であると考えられている。
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注３）

ファージ

細菌に感染するウィルス。⼀部のファージは DNA ポリメラーゼを持つ。
注４）

緑⾊蛍光タンパク質（Green fluorescent protein；GFP）

GFP は蛍光するため、実験標的となるタンパク質に付加することで、実験標的タンパク質が細胞内のどこに存在するかを可視化できる。
注５） DNA ポリメラーゼ I
細菌類におけるゲノム複製ではラギング鎖と呼ばれる DNA 鎖の複製に関与する酵素。種類ごとにギリシャ数字で番号が振られており、今回は DNA ポリメラーゼ I を研究対象とした。
研究資⾦
本研究は、科研費による研究プロジェクト（18KK0203、19H03280、23H02535、BPI05044、22J11104、19H03274）の⼀環として実施されました。
掲載論⽂【題 名】 Encyclopaedia of family A DNA polymerases localized in organelles: Evolutionary
contribution of bacteria including the proto-mitochondrion.
（オルガネラ局在ファミリーA DNA ポリメラーゼ百科：原始ミトコンドリア共⽣体をふくむ細菌からの進化的貢献について）【著者名】 R. Harada, Y. Hirakawa, A. Yabuki, E. Kim, E. Yazaki, R. Kamikawa, K. Nakano, M. Eliáš
and Y. Inagaki【掲載誌】 Molecular Biology and Evolution【掲載⽇】 2024 年 1 ⽉ 25 ⽇
【DOI】

10.1093/molbev/msae014

問合わせ先【研究に関すること】
稲垣 祐司（いながき ゆうじ）
筑波⼤学 計算科学研究センター 教授
URL: https://sites.google.com/site/yujiswebsite【取材・報道に関すること】
筑波⼤学 計算科学研究センター 広報・戦略室
TEL: 029-853-6260
E-mail: pr@ccs.tsukuba.ac.jp
国⽴研究開発法⼈海洋研究開発機構 海洋科学技術戦略部報道室
TEL: 045-778-5690
E-mail: press@jamstec.go.jp
農研機構 基盤技術研究本部研究推進室
E-mail: www.kiban@ml.affrc.go.jp
5京都⼤学 渉外部広報課国際広報室
TEL: 075-753-5729 / FAX: 075-753-2094
E-mail: comms@mail2.adm.kyoto-u.ac.jp

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