総細菌における c-di-GMP の役割：Vibrio 属菌を中心に
小嶋

誠司

生物が使う代表的なセカンドメッセンジャーとしては，cAMP, cGMP, イノシトールリン酸などがある．細菌では，動物では使われていない c-di-GMP がセカンドメッセンジャーとして，環境応答に広く使われている．当初，セルロース合成の調節因子として見つかったこの小分子が広く細菌に存在しており，多種多様な合成酵素と分解酵素が存在し，環境に応じた濃度変化をすることで機能調節をすることが明らかにされた．コレラ菌では，その病原サイクルで重要な働きをしていることがわかっている．また，べん毛運動にも深く関与していることが明らかになっている．本稿では，筆者が研究対象にしている Vibrio 属菌のc-di-GMP に関する研究を中心に，細菌の c-di-GMP 制御機構を解説したい．

1.

c-di-GMP の発見

PilZ は，ピリ産生オペロンの一部として発現する 13 kDa の小さな細胞質タンパク質であり，ピリの生合成に必須であ動物では，cAMP や cGMP といった環状ヌクレオチドがる．ゲノム解析から PilZ ドメインが c-di-GMP と結合する

さまざまな生命機能に関与することが知られている．細主な部位なのではないかと予測された 5）．精製された PilZ

菌でもこれらの因子が機能しているが，最近 bis（3′,5′）-ドメインを持つタンパク質を用いて実際にその結合が証明

cyclic diguanylic acid（環状ジグアニル酸，以下 c-di-GMP）

され 6），c-di-GMP を結合した PilZ ドメインの結晶構造も報

は，細菌が環境に適応する際のさまざまな反応を制御す告された 7）．

るアロステリックなアクチベーターであり，セカンドメッ
センジャーとしても働くことがわかってきた．c-di-GMP

2.

細菌における c-di-GMP 合成・分解酵素

は，細菌界で広く作られ，また細菌界に特有のものである．c-di-GMP はセルロースを合成することで知られる細細菌におけるセカンドメッセンジャーとしては，cAMP,菌，Gluconacetobacter xylinus においてセルロース合成酵素

cGMP, ppGpp，そして c-di-GMP, c-di-AMP などが知られてを正に調節する因子として見つかり，膜結合型のセルロー

いる 8, 9）．この中では，cAMP が最も早くに発見され研究

ス合成系のアロステリック活性因子に結合することが明らされた．大腸菌では糖代謝の転写制御に働いていることがかにされた 1‒3）．その後，細胞外成分であるべん毛あるい明らかにされたが，動物では G タンパク質共役受容体と共は線毛の合成と機能調節，あるいは，菌体外多糖合成を制役して非常に多様な制御に関与していることがわかってい御することが明らかにされた 4）．c-di-GMP は，いろいろなる 10）．細菌においては c-di-GMP は，非常に多様な環境応

結合タンパク質を介して，多様な機能を発現する．その結答に対応している．

合ドメインとして，PilZ ドメインが知られている．PilZ タ

c-di-GMP は， ジ グ ア ニ ル 酸 シ ク ラ ー ゼ（diguanylate

ンパク質ファミリーは，緑膿菌で初めて同定された IV 型

cyclase：DGC）によって GTP 2 分子から合成され，ホスホ

線毛（ピリ）制御タンパク質 PilZ にちなんで命名された．

ジエステラーゼ（phosphodiesterase：PDE）によって GMP
2 分子あるいは直鎖 diGMP（pGpG）に分解される．シク

名古屋大学・大学院理学研究科・生命理学専攻（名古屋市千種区不老町）
Roles of c-di-GMP in bacteria：Focus on the Vibrio cells
Seiji Kojima (Division of Biological Science, Graduate School of
Science, Nagoya University, Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya-shi
464‒8602)
DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2020.920771

投稿受付日：2020 年 7 月 9 日

ラーゼ活性は，GGDEF タンパク質ドメイン（DUF1 として も 知 ら れ て い る ） に コ ー ド さ れ て い る 11, 12）．DGC のGGDEF ドメインは，Caulobacter crescentus においてべん毛の形成を制御する PleD が持つ 5 個のアミノ酸残基 GGDEFから命名された 13）．その後，このモチーフが DGC の活性中心を形成していることが明らかにされた 14）．また，ホス
ホジエステラーゼ活性は，EAL（DUF2）ドメイン 15‒17）および HD-GYP ドメイン 18）にコードされている（図 1）．

© 2020 公益社団法人日本生化学会
生化学第 92 巻第 6 号，pp. 771‒782（2020）

説

772
多様な環境応答に対応するため，c-di-GMP の合成と分メインを持ち，後に c-di-GMP を結合してべん毛モーター

解を担うと考えられる GGDEF, EAL, HD-GYP ドメインをに作用することが明らかにされたが，当初は H-NS と呼ば含むタンパク質が細菌のゲノム上に非常に多くコードされる核様体タンパク質の欠損株によるべん毛形成を抑圧すれていることが，ゲノム解析からわかっている 19）．Vibrio

る遺伝子として同定されていた 20）．PlzD には，C 末端側のcholerae ではゲノム配列から推定される c-di-GMP の合成とPilZ ド メ イ ン 部 分 に RxxxR と D/NxSxxG の c-di-GMP 結 合分解に関わるタンパク質として，GGDEF が 31, GGDEF とコンセンサス配列が存在する．PlzD について c-di-GMP の

EAL を 両 方 持 つ も の が 10, EAL が 12, HD-GYP が 9， 合 わ
せて 62 種類もの因子が存在している．表 1 に示すように，
Vibrio 属菌の持つ数は大腸菌に比べて多い．一方，古細菌
ではこれらのホモログは存在していない．なぜこのように多くの c-di-GMP 合成分解酵素が必要なのかはよくわかっていないが，厳しい環境に対応するために進化したことは想像にかたくない．
3.

c-di-GMP 結合タンパク質の構造

最初に決められた c-di-GMP 結合タンパク質は，Vibrio
cholerae の PlzD である 7）．PlzD（PilZ domain-containing
protein D） は も と も と VCA0042 タ ン パ ク 質 と し て，V.
cholerae ゲノム配列から同定された五つの PilZ ドメインタ
ンパク質の一つである．このタンパク質の N 末端側は，大腸菌においてべん毛遺伝子制御に関わる YcgR と相同なドメイン（YcgR-N）を持つ．YcgR はその C 末端側に PilZ ド

図 1 c-di-GMP シグナル伝達のモデル
c-di-GMP は，合成酵素であるジグアニル酸シクラーゼ（DGC）と分解酵素であるホスホジエステラーゼ（PDE）によってその濃度が制御される．c-di-GMP がエフェクター分子に結合する
ことによって，いろいろな機能が制御される．
表1

図 2 c-di-GMP 結合タンパク質の構造
c-di-GMP 結 合 PlzD（A），c-di-GMP フ リ ー PlzD（B），c-di-GMP
結 合 VpsT（C），c-di-GMP フ リ ー VpsT（D），c-di-GMP 結 合 FleQ（E），c-di-GMP フリー FleQ（F）の結晶構造モデル．ヘリックス
モデル中の c-di-GMP 結合残基を，深緑色のスティックモデルで示した．c-di-GMP は黒色のスティックモデルで示した．

γプロテオバクテリアの c-di-GMP 合成分解タンパク質とエフェクタータンパク質の数
菌種

タンパク質

GGDEF

GGDEF＋EAL

EAL

HD-GYP

PilZ

MshEN

その他

1：E. coli

4132

12

7

10

̶

2

1

BcsE

2：P. aeru

5567

17

16

5

3

8

2

FleQ

3：V. chol

3835

31

10

12

9

5

1

VpsT, FleQ

4：V. harv

6055

32

12

14

5

5

1

VpsT, FleQ

5：V. para

4832

28

16

13

5

5

1

VpsT, FleQ

6：V. anti

4518

29

16

11

4

5

1

VpsT, FleQ

こ の 表 は 文 献 19 で 発 表 さ れ た Web 補 足 デ ー タ よ り 引 用 し た（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Complete_Genomes/c-di-GMP.html）．1：
Escherichia coli（大腸菌），2：Pseudomonas aeruginosa（緑膿菌），3：Vibrio cholerae（コレラ菌），4：Vibrio harveyi，5：Vibrio parahaemolyticus（腸炎ビブリオ），6：Vibrio antiquarius．
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773
ないアポ構造だけでなく，c-di-GMP を PilZ ドメインに 1 分

4.

Vibrio 属菌での c-di-GMP による病原因子制御

子結合した複合体構造も解かれ，c-di-GMP 結合型 PlzD は二量体を形成していることが明らかにされた 7）．重要なこ

コレラの病原細菌である V. cholerae のライフサイクルは，とに，c-di-GMP 結合によって PlzD の大きな構造変化が生

free-swimming phase と virulent phase の 二 つ に 大 別 さ れ る．

じていた（図 2A, B）．大腸菌 YcgR においては，C 末端の

前者は，主に宿主外に存在しているときの状態であり，病PilZ ドメインがべん毛モーターの固定子タンパク質 MotA

原因子を発現することはなく，活発に動き回る．実際の環と相互作用し，N 末端ドメインが他のモータータンパク質

境では，菌はべん毛を使って水中を活発に運動する遊泳形（回転子タンパク質の FliG を想定）と相互作用して，運動

態か，魚やエビあるいは，プランクトンや堆積物などの表を阻害すると現状では考えられている 21）．最近，ClpXP プ

面にバイオフィルムを形成して存在する固着形態をとっロテアーゼによる転写因子の分解が c-di-GMP 依存的に起て生育する（図 3）25）．水中環境において付着してバイオ

こり，べん毛遺伝子制御系に影響することがわかってきフィルムを形成するときには，IV 型線毛であるマンノー

たス感受性ヘマグルチニン（mannose-sensitive hemagglutinin：．YcgR が直接にべん毛遺伝子制御に関わっているか

22）

はわかっていない．

MSHA）線毛を形成する．宿主内に入り，感染する腸の表

Vibrio 属菌の中で，c-di-GMP 結合タンパク質として構造面に到達すると後者の状態に移り，運動性がなくなるとが解けているものに VpsT がある 23）．このタンパク質は，同時に，電解質の分泌（漏出）を引き起こすコレラ毒素

5 節で述べるように LuxR や CsgD ファミリーに属し，リン（cholera toxin：CT）に代表される病原因子と小腸のコロ酸を受ける二成分制御系のエフェクタータンパク質であニー化に必要とされる毒素共調節線毛（toxin co-regulated

る．推定リン酸化部位は保存されているものの，他のリ

pilus：TCP）を発現する（図 4）．これが一連のコレラの症

ン酸転移に関与する残基は保存されていない．N 末端がレ状を引き起こす．

シーバー（REC）ドメインで，C 末端がヘリックス・ター

V. cholerae の病原性には，いくつかのべん毛遺伝子や，

ン・ヘリックス（helix-turn-helix：HTH）モチーフを持つ転写制御部位である．4 残基（W［F/L/M］［T/S］R）の c-diGMP 結合保存配列を持つ．c-di-GMP と VpsT の結合モル比は 1：1 で，2 分子の c-di-GMP が二量体の VpsT に結合している．c-di-GMP 2 分子を挟むように VpsT が配置している．
ただし，VpsT の二量体化には c-di-GMP は必要ないらしい．
c-di-GMP が結合することで，DNA 結合部位の HTH ドメインの構造が変わることで DNA との相互作用が変わって，転写活性に影響するということである（図 2C, D）．
最後にもう一つ c-di-GMP 結合タンパク質の構造を紹介
したい．Vibrio 属菌のものではないのだが，Pseudomonas
aeruginosa の FleQ タンパク質である．7 節でも述べるように，FleQ は V. cholerae のべん毛遺伝子マスターレギュレー
タ ー と し て 知 ら れ る FlrA の オ ル ソ ロ グ で，P. aeruginosa
でべん毛遺伝子のマスターレギュレーターとして機能する．FleQ は N 末端に REC レシーバードメイン，中央に細菌 AAA＋ATPase/σ 54 相互作用ドメイン，C 末端に HTH DNA
結合ドメインを持ち，細菌のエンハンサー結合タンパク質（bEBP）である NtrC サブファミリーと高い相同性を持つ．
しかし，制御機構は NtrC とかなり違っていると推測される．FleQ は c-di-GMP が結合していない状況では，安定な六量体リング構造を作って，転写を抑制していると考えら
れる．c-di-GMP 濃度が上昇して結合すると，六量体構造が壊れて構造を変えることによって転写が ON になると考えられる．c-di-GMP が結合する制御領域は，REC と AAA＋ドメインのインターフェースに存在する LFR144S モチーフ，
post-WalkerA 領 域 の R185 と N186 残 基， そ し て ExxxR334 配 列であることが構造データから示されている（図 2E, F）24）．

生化学

図 3 コレラ菌のライフサイクルにおけるバイオフィルム形成
水生環境の中では，コレラ菌は運動性の高い浮遊性の状態と動物プランクトンや植物プランクトン，死骸や堆積物の表面などに付着した状態をとり，後者の場合はやがてバイオフィル
ムを形成する．IV 型線毛やマンノース感受性ヘマグルチニン（MSHA）ピリやべん毛が，生物および非生物の表面への初期付着段階に寄与し，細胞外マトリックスと多糖を産生し，成熟したバイオフィルムとなる．べん毛やピリなどがバイオフィル
ムの形成時に失われるかは定かではない．しかし，べん毛が定常期で抜け落ちることは報告されている．コレラ菌はこの環境
からヒトに感染し，季節的な流行を引き起こす．腸内で菌がコロニー化する際には，浮遊細胞やバイオフィルム形成細胞の凝集体が観察されており，TCP ピリを産生している．これらが便として排出され，新しいヒトに再感染したり，水生環境に戻ったりする．文献 25 を参考に図を作成した．

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毛遺伝子，線毛遺伝子などの発現を制御していることがわ
かっていた 33）．V. chorelae でσ 54 欠損株が作製され，病原性因子の発現が調べられた 34）．それによると CT や TCP への影響はなく，べん毛形成に欠損が起こり，グルタミン酸合成酵素の発現に影響した．さらに，幼若マウスのモデル系
において，V. chorelae のコロニー形成がσ 54 欠損株では起こ
らなくなった．このコロニー形成欠損は，べん毛欠損やグ
ルタミン酸合成酵素量による間接的な影響ではないことが示唆された．しかし，この状況でもσ因子がどのようにして環境からのシグナルによって制御されているのかは不明
であった．
以上の病原因子の発現を結びつける因子として，c-diGMP が登場することになる．c-di-GMP が直接関与してい図 4 コレラ菌病原因子の制御モデル
TcpH/TcpP や ToxS/ToxR の膜タンパク質が外界の環境刺激を受け，toxT の転写を正に制御し，合成された ToxT が転写因子として下流の病原因子の転写を制御する．ナトリウム駆動べん毛や呼吸鎖によるナトリウムイオンの動きが toxT の転写に影響を与えるらしい．図には示していないが，quorum シグナル（細胞密度に依存して発するシグナル）をセンサーキナーゼである
CqsS や LuxQ が受容して LuxO を経由する数段階のシグナルカ
スケードによって病原因子の産生に影響を与える経路がある．
このような非常に複雑な遺伝子の関与によって，コレラ毒素やTCP などの病原因子の発現制御が制御されている．

るという事実はなかったのだが，Vibrio 属菌で，GGDEF と
EAL ドメインを持っているタンパク質がバイオフィルム形成に関与しているということがわかっていた 35‒37）．このような背景の中で，Vibrio 属菌の二成分制御系のコレラ毒素産生に関与している VieA が，バイオフィルム形成に必
要な菌体外多糖合成遺伝子の発現を負に制御していることが明らかにされた 38）．そして，VieA が EAL ドメインを持
ち，その分解活性の制御により c-di-GMP の濃度が調節されて，遺伝子発現の制御が起こっていることが明らかになった．

走化性関連遺伝子が病原性に関与することが知られている．AphA/B, TcpP/H, ToxR/S お よ び ToxT を 含 む 転 写 因 子

5.

Vibrio 属菌でのバイオフィルム形成と c-di-GMPのカスケードは，CT および TCP の発現を調節することが知られていた 26）．V. cholerae の病原因子の発現に大きV. cholerae は，べん毛を使って泳ぐ遊泳状態から，ピく関わっているのが ToxT である．転写アクチベーター

リを使って固着状態になるとバイオフィルム形成を行で あ る ToxT が，CT を コ ー ド し て い る ctxAB の プ ロ モ ーう． バ イ オ フ ィ ル ム の 主 要 構 成 因 子 は 菌 体 外 分 泌 多 糖

ターを活性化することで毒素産生が起こり，病原性が発（Vibrio polysaccharide：VPS） で あ り，vps-I（vpsU, vpsA〜

揮される 27, 28）．toxT 遺伝子は，ToxR や TcpP（ともに内膜K, VC0916〜27） お よ び vps-II（vpsL〜Q, VC0934〜39） 領

タンパク質，細胞質領域に DNA 結合ドメインを持つ）に域に VPS 産生に必要な遺伝子がコードされている．これよりその発現が活性化される 29）．これら遺伝子の発現誘に加えて，マトリックスタンパク質（RbmA, RbmC，およ導は，温度，pH，ナトリウムイオン濃度などの外部環境

び Bap1）が加わってバイオフィルムとなる．マトリックの影響を受けることが知られている．ToxT は CT の他に，スタンパク質合成に必要は遺伝子は，vps-I と vps-II 領域のtoxT 自身や TCP の主成分をコードする tcpA をはじめとす

間にクラスターとなって存在している（図 5A）39）．vps 遺伝

る tcp（toxin co-regulated pilus）遺伝子群や，acf（accessory

子発現は，VpsR, VpsT, HapR によって制御されている 40）．

colonizing factor）遺伝子群の転写も活性化する 30, 31）．CT

VpsR は，AAA＋ATPase ド メ イ ン と DNA 結 合 ド メ イ ン をや TCP などの多くの病原性因子の発現は，転写制御因子含むσ 54 依存の転写調節促進因子である．VpsT は LuxR やの ToxR とその下流にある ToxT によって協調的に制御されCsgD ファミリーに属する二成分制御系のリン酸化を受けている（図 4）．運動性を失った V. chorelae については CT,るエフェクタータンパク質である．HapR は DNA に結合しTCP，ヘモリシン，バイオフィルムなどの病原因子の発現て転写を抑制する TetR ファミリーに属する．VpsT は N 末が上昇し，逆に運動性が上昇した変異株では病原因子の発端レシーバー（REC）と DNA 結合を媒介する C 末端 HTH

現が低下することが見いだされた 32）．

ドメインから構成されるタンパク質である．VpsT に c-di-

これらのことから，べん毛発現と病原因子発現を共通に

GMP が結合することによって二量体化することで，上流コントロールする因子の存在が想像された．そこで，細菌のキナーゼによるリン酸化により，強い影響を転写に及ぼにおいて，生理条件の変化に対応して，種々の遺伝子のす 23）．VpsR が c-di-GMP 依存的に発現制御を受ける TfoY と転写制御を行う代替σ因子が考えられた．通常の生育に使いう別の転写因子の発現制御を制御しているという複雑なわれているσ因子は，その分子量からσ と呼ばれる．代替制御機構もわかっている 41）．in vitro 系を用いて，VpsR がσ因子の中でσ と呼ばれるものは，窒素同化遺伝子，べんσ 70 RNA ポリメラーゼと c-di-GMP 依存的に vps 遺伝子のプ

70

54

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似の転写制御因子（OpaR, CpsR, CpsS）が関与しているが，少し制御機構は異なっているらしい（図 5C）47）．
6.

Vibrio 属菌の 2 種類のべん毛

V. parahaemolyticus とその近縁種である海洋性ビブリオ菌 Vibrio alginolyticus は，基本的には 1 本の極べん毛と多数の側べん毛という機能的に異なる 2 種類のべん毛を一つの菌体が持つ．V. cholerae では，基本的には 1 本の極べん毛を，Vibrio ﬁscheri は複数本の極べん毛を持つ．極べん毛と側べん毛のべん毛運動のエネルギー源を調べると，極べん毛は Na＋駆動力，側べん毛は H＋駆動力によって運動することがわかった 48, 49）．極べん毛は恒常的に発現しているのに対して，側べん毛は粘性の高い条件下で発現することから，Vibrio 属菌の菌体は粘性の上昇を何らかの方法で感じていると考えられ，そのセンサーは極べん毛であるというダイナモメーター仮説が提案された 50）．そして，極べん毛の Na＋駆動型モーターの阻害剤であるフェナミル（ナトリウムチャネル阻害剤：アミロライドの誘導体）を用い
図 5 バイオフィルム形成遺伝子制御（A）コレラ菌のバイオフィルム形成遺伝子．vps-I クラスターと
vps-II とクラスターの遺伝子に挟まれて，マトリックスタンパ
ク質をコードする rbm 遺伝子クラスターが存在する．文献 39 を参照した．
（B）コレラ菌のバイオフィルム形成制御．VpsT とVpsR が最も主要な直接的な，バイオフィルム形成に必要な，多糖合成の転写制御因子である．文献 25 を参照した．（C）腸炎
ビブリオのバイオフィルム形成制御．コレラ菌の制御タンパク質と相同な転写因子が関与するが，その制御機構は少し異なっている．文献 47 の図を参照した．矢印で終わるのは正の調節を示し，黒丸線で終わるのは負の調節を示す．

た実験から，極べん毛の回転の低下と側べん毛遺伝子の発現の間に相関関係があることが示された．このことから極べん毛は力学的センサーとして働き，側べん毛の発現を制御すると考えられている 51）．しかしながら，30 年
以上も前に発見された現象であるが，いまだにどのようにして極べん毛が粘性を感知しているかわかっていない．V.
cholerae において，極べん毛運動がバイオフィルム形成制
御に影響することが報告されている．べん毛繊維タンパ
ク質を欠損すると細胞の c-di-GMP 濃度が上昇し，極べん
毛のモーター機能に必須な MotY の欠損でその上昇が抑圧

ロモーターに作用して発現を制御していることが示されされる 52）．極べん毛遺伝子がどのように c-di-GMP 濃度をている．マトリックスタンパク質の産生も VpsR によっ制御しているかについては謎のままである．V. parahaemo-て制御を受けているのだが，さらにこれらが菌体外に分泌lyticus では ScrABC が側べん毛の発現とバイオフィルム形されるために必要な II 型の分泌装置の遺伝子（eps 遺伝子）成を制御していることが報告されている．ScrC は膜タン

発現を c-di-GMP 依存的に制御している42）．この eps 遺伝子

パク質であり，細胞質ドメインに GGDEF-EAL ドメインをのプロモーター領域には，σ E とσ 70 依存の二つのプロモー持つため c-di-GMP の分解と合成活性を持ち，シグナルをターが存在することが示されている．さらに，c-di-GMP

受けて c-di-GMP の濃度を制御する 53）．極べん毛が ScrC のの濃度によって cAMP もバイオフィルム形成に関与し，非c-di-GMP 分解合成に関与するのかについてはわかってい常に複雑な制御を受けている（図 5B） ．腸炎ビブリオ

ない．

43）

44）

40）

Vibrio parahaemolyticus においても，バイオフィルムの主

最近，べん毛系の c-di-GMP 制御機構についてのヒント

要構成因子は VPS であるが，合成に必要な遺伝子は 1 か所となるような結果が緑膿菌で報告された 54）．Pseudomonasにまとまって存在し，cps（capsular polysaccharide）と名づ属菌は，べん毛の固定子タンパク質を 2 種類（MotA/MotB

けられている．その遺伝子組成も V. cholerae とは少し異なと MotC/MotD）持ち，MotC/MotD 固定子により粘性の高り，V. cholerae の VPS の組成が，グルコース（52.6％），ガい条件において，表面を這うように動く遊走運動をするこ

ラクトース（37.0％），N-アセチルグルコサミン（5.1％），とができる．この遊走運動に，PliZ ドメインを持ち大腸菌

マンノース（3.8％），キシロース（1.5％）に対して，V.

YcgR と相同性のある FlgZ が，MotC と相互作用すること

parahaemolyticus ではグルコース（34.6％），ガラクトースで影響することが示されていた 55）．MotC/MotD が欠損す

45）

（27.8％），フコース（21.3％），N-アセチルグルコサミン

ると c-di-GMP 濃度が低下し，MotC/MotD を過剰に発現す（13.9％），アラビノース（1.0％），マンノース（0.7％），N-

ると c-di-GMP 濃度が上昇することによりバイオフィルム

アセチルガラクトサミン（0.6％）となっている 46）．遺伝形成の違いが起こることが発見された．また，C 末端細胞子制御に関しても，V. cholerae と V. parahaemolyticus では類

質領域に GGDEF モチーフを持つ膜タンパク質 SadC の膜貫

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図 6 緑膿菌べん毛固定子の c-di-GMP レベルへの関与モデル
ΔmotCD 変異株（左端），野生株（中央，左），マルチコピープラスミドから MotAB を発現した株（中央，右），ΔmotAB 変異株（右端）の DGC である膜タンパク質 SadC（黄緑）と固定子との相互作用を示した．MotA/MotB 固定子複合体を青，MotC/MotD 固定子複合体を赤で示した．エフェクター FlgZ は，c-di-GMP 結合状態のときに MotCと相互作用できる．文献 54 の図を参照した．

通領域に MotC が作用することが見いだされ，MotC/MotD

FlrB のリン酸基が FlrC に転移され，活性化される．先の固定子複合体が DGC である SadC に相互作用することで節で述べたようにバイオフィルムを形成して定着するとき

c-di-GMP 合成活性が上昇するというモデルが発表されたには運動は不要になるのだから，このべん毛遺伝子発現は（図 6） ．Vibrio 属菌の PomA/PomB 固定子複合体が，c-di-

低下することになる．c-di-GMP が FlrA に結合することで，GMP 分解合成活性のある膜タンパク質と相互作用して，

ﬂrBC オペロンへの FlrA の結合が阻害されて，転写が起こ

c-di-GMP 濃度が変化するということはありそうなことでらなくなりべん毛を形成しなくなることが報告されていある．

る 63）．この c-di-GMP によるべん毛遺伝子発現制御は緑膿

54）

菌でもみられており，FlrA のホモログである FleQ の機能
7.

Vibrio 属菌のべん毛形成メカニズムがよく研究されている．FleQ は FlrA と約 50％の相同性を持った緑膿菌の極べん毛遺伝子マスターレギュ

べん毛による運動は，栄養豊富な培養条件では，菌の生レーターで，AAA＋タイプに分類される ATPase である．

育にまったく必要ない．研究室環境で，べん毛欠損株は野FleQ は六量体を形成し，c-di-GMP の結合によって，その生株とまったく同様に生育する．しかし，自然環境の中でATPase 活性が制御される 64）．FleQ については結晶構造もは，生き残りに必要な形質である．そして，べん毛の組み解かれており（図 2E, F），c-di-GMP の結合によって六量体立てコストは非常に大きなものである．赤痢菌などでは，構造の再構築が起こることが示唆されている 24）．

べん毛遺伝子が不要になって失われたと考えられている．

V. parahaemolyticus の極べん毛遺伝子も V. cholerae と同様

べん毛は 20 個以上の構造タンパク質から組み立てられ，な（遺伝子名は異なるが）転写制御によって調節されるこ

それらのべん毛構造タンパク質をコードする遺伝子や発現とがわかっている 65, 66）．ビブリオ属の極べん毛制御は，同を調節する遺伝子が 50 個以上存在する．それだけ大きなじ極べん毛を持つシュードモナス属のべん毛遺伝子の制御

コストをかけても，細菌の生き残りには必要ということな機構と類似している 67）．V. parahaemolyticus の側べん毛遺のだ．コストを最小に抑えるため，必要のないときには，

伝子の転写制御も解析され，階層的に制御されているていべん毛遺伝子発現は厳密に制御されている

ることがわかっている（図 7B）．面白いことに，周毛性の．

56, 57）

V. parahaemolyticus と V. cholerae の極べん毛遺伝子の発現制御が推測されている．V. cholerae では，オペロン

58‒60）の発現の順番により四つのクラスに分けられて，オペロン

V. parahaemolyticus の側べん毛遺伝子のマスター制御遺伝
子はσ 54 タイプであるが，下流は大腸菌のもつσ 28 型に近い
68）
制御因子が働いている（図 7C）．

の転写制御のモデルが出されている（図 7A）61, 62）．pomAB（motAB）や motX といったモーター遺伝子やフラジェリン

8.

c-di-GMP とべん毛運動のアクセルとブレーキをコードする遺伝子 ﬂaB, ﬂaC, ﬂaD, ﬂaE，そして，推定アンチσ 因子をコードする ﬂgM を含むオペロンは，σ 28 型の細菌の生育環境が突然変化すると，菌体にかかる負荷もプロモーター配列を持ち，ﬂiA 遺伝子がコードするσ 28 に依大きく変化し，遊泳・遊走の速度に直接影響することに存して発現することが確認されている．これに対して，コなる．そのため，こうした外部環境変化に応答するために

アフラジェリンをコードする ﬂaA やモータータンパク質をは，菌体の運動をつかさどるべん毛モーターの回転速度をコードする motY，フックやべん毛基部体の構造遺伝子と調節する能力が非常に重要となってくる．車でたとえるな

フック付随タンパク質（HAPs）などは，FlrC とσ 54 に依存

らば，ブレーキとアクセルの調節に対応し，たとえば高負した発現を示す．最初に転写されるのは ﬂrA であり，その荷では，モーターはローターを駆動するためにより大きな産物である FlrA とσ 54 がクラス II オペロンの転写を起こす．

トルクを生成する（アクセルを踏む）必要がある．実際，

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図 7 べん毛遺伝子レギュロン
コレラ菌のナトリウムイオン駆動型極べん毛（A），腸炎ビブリオのプロトン駆動型側べん毛（B）と大腸菌のプロト
ン駆動型周べん毛（C），それらの遺伝子構成を示す．遺伝子名の上に書かれた矢印は転写ユニットを示し，その矢印の始まりの数字は転写階層の順番を示す．

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最近の研究では，モーターの回転子（ローター）を囲む固定子（ステーター）ユニットの数を増やすことで，細胞が負荷のアップシフトに応答することが明らかになっており 69‒72），高負荷では高トルクを生成するために約 10 個の固定子ユニットが組み込まれており，低負荷では回転子の周りにモーターを回転させるために組み立てられる固定子
ユニットは減少する．そのため，固定子ユニット自体が荷重センサーとして機能し，外部の負荷変動に応じて回転数を調整しているようにみえる．環境変化に応じてモーターの回転速度を調整する別の例は，バイオフィルムを形成す
る際に遊泳菌体が表面に付着し，非運動性固着状態へ細胞の生理状態が変化する際にみられる 73）．この移行の間，モーターの回転が抑制されることにより，運動性がブロッ
クされ，バイオフィルムの形成が誘発される．c-di-GMP
は，このプロセスにおいて重要な役割を担っている．高レ
ベルの細胞内 c-di-GMP は，表面付着とバイオフィルム形成を促進する 74, 75）．
大腸菌において PDE をコードする遺伝子 yhjH を欠損させ，細胞内 c-di-GMP の濃度を高めると菌体の運動速度は低下し，逆に DGC をコードする遺伝子を欠損させ，c-diGMP の濃度を低くすると運動速度が高まるということがわかった 20）．c-di-GMP による運動阻害は，PilZ ドメインを持ち c-di-GMP を結合するタンパク質 YcgR の変異体で部分的に抑圧されることから，YcgR は c-di-GMP の濃度に応じて大腸菌べん毛モーターの回転速度を抑えていると考えられていた．そして，YcgR のモーター中の作用部位が

図 8 c-di-GMP 結合タンパク質によるモーター回転阻害のモデ
ル
大 腸 菌 で の さ ま ざ ま な c-di-GMP 合 成 分 解 酵 素 に よ っ て c-diGMP 濃度が変化し，c-di-GMP が YcgR に結合することでモーターを阻害する．文献 78 の図を参照した．
（A）大腸菌のエンベ
ロープ（内膜と外膜）に，べん毛基部体構造および周囲固定子
ユニット（MotA/MotB）が存在する．c-di-GMP 結合タンパク質である YcgR は，c-di-GMP 依存的に固定子とべん毛基部体の回転子と相互作用する．（B）四つの異なる DGC（DgcE, DgcN,
DgcO, DgcQ）によって c-di-GMP が合成され，PDE である PdeH
によって加水分解されて線形 di-GMP（pGpG）となり，c-diGMP 濃度が変化する．

報告され，c-di-GMP が結合して活性化した YcgR は，回転発現させると運動性が大きく阻害されることが報告されて子である FliM と FliG に特異的に結合する 76, 77）という報告いる 80）．V. cholerae において，c-di-GMP が高濃度のときにと，固定子 MotA に結合するという報告 78）がなされているのみバイオフィルムの形成を促進する PlzC と，c-di-GMP（図 8）．YcgR の回転子への結合により反時計回りのモーの濃度に関わらずバイオフィルムの形成を促進する PlzB

ター回転が増え，同時にブレーキがかかるようにトルク発が見つかった．これらの二つのタンパク質はいずれも PilZ生が阻害されて，それまで活発だった細菌の運動が低下すドメインを持っていることはわかっているが，その運動能ると考察されている．YcgR と MotA の細胞質領域の相互やバイオフィルム形成への影響がどのようにして起こるの作用については，生化学的なアプローチで確かめられていか，特に上述の H＋駆動型モーターと同じような仕組みでる

回転阻害が起こるのかは明らかではない．

．YcgR の C 末端ドメインが MotA と，N 末端ドメイン

21）

が FliG と相互作用すると推測している．また，細菌は飢
餓状態で細胞どうしが細胞表面でくっつき，多細胞で集団

9. べん毛遺伝子とバイオフィルム形成を形成することが知られているが，c-di-GMP が高濃度の条件下では表面接着が強くなり，バイオフィルムの形成にべん毛遺伝子欠損とバイオフィルム形成の関係はこれま

有利な状態になることがわかった．さらに，ycgR を欠損

でにいろいろ調べられていた．コレラ菌の O139 株とエルさせると細胞接着が野生型のレベルにまで低下することか

トール株ではバイオフィルム形成の応答が異なっている

ら，べん毛の運動を抑制する遺伝子 ycgR は，バイオフィ

が，O139 株ではべん毛遺伝子が欠損すると，vps 遺伝子のルムの形成を促進する働きも担っていると考えられる

77）．

発現に依存した rugose コロニー（コロニーの表面がしわに

大 腸 菌 は H＋駆 動 型 モ ー タ ー で 回 転 す る が，Na＋駆 動 型なる）を作ることが報告されていた 81）．また，べん毛遺伝

モーターの場合にも，V. cholerae において YcgR ホモログ

子制御系が DGC である CdgD の発現を制御していることによるモーター回転への影響が報告されている．V. chol-も報告されている 58）．つまり CdgD を介して，べん毛遺伝

erae は PilZ ドメインを持つタンパク質を複数個持つが，そ子制御系がコレラ菌の病原因子の発現を制御すると考えのうち PlzD が c-di-GMP を結合すること，最少培地で野生られる．O139 株の主要フラジェリン遺伝子である ﬂaA 遺株で大量発現させると，運動能が低下することがわかって伝子の欠損により rugose コロニーが形成されるが，べん毛

いる 79）．V. alginolyticus においても貧栄養の状態で PlzD を

固定子関連遺伝子である pomA や motX 遺伝子欠損を導入

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されている．我々の研究室でも長年の課題であった，ダイ
ナモメーターとして粘性やべん毛回転がどのように遺伝子発現に関与するのかが，明らかになる日も近い気がする．
謝辞
名古屋大学大学院理学研究科生命理学専攻生体膜機能グ
ループにおいて，多くの共同研究者や学生が細菌べん毛研究に携わってくれた．c-di-GMP に関連した研究は，私のメインであるべん毛モーター研究のサイドビジネスとして行ってきた．c-di-GMP に関連したべん毛の総説を書くことを勧め，執筆を手伝ってくださいました本間道夫教授に感謝申し上げます．
文
図 9 べん毛依存的バイオフィルム形成におけるシグナル伝達のモデル
コレラ菌極べん毛の構成遺伝子とバイオフィルム形成遺伝子のc-di-GMP シグナル伝達によって調節される過程．矢印で終わるのは正の調節を示し，黒丸線で終わるのは負の調節を示す．
文献 52 の図を参照した．

することで，smooth コロニーに戻ることが報告されている 82）．そして，この現象は菌体外多糖合成の vpsR 遺伝子
発現が pomA や motX 遺伝子欠損で変化した結果であると説明されている．最近，この現象を網羅的に調べて，べん毛
遺伝子とバイオフィルム形成の関係が明らかにされた．28
個ある DGC に変異を導入して，CdgA, CdgL, CdgO がこの現象に関与していることが明らかにされた 52）．2 回膜貫通タンパク質と予想されている CdgA は単独でコロニー形態に影響を与える強い効果があり，rugose コロニー形成に関与することはすでに知られていた 83）．ﬂaA 遺伝子が欠損す
ると細胞内 c-di-GMP の濃度が上昇するのだが，この c-diGMP 濃度上昇を担っているのが，これら三つの DGC ということになる．c-di-GMP がべん毛遺伝子や vps 遺伝子発現を制御しているのだから，非常に複雑な応答となっている（図 9）．
10.

おわりにc-di-GMP による制御は，役者が多くて理解するのが困難である．なぜ，べん毛形成の変異で c-di-GMP の濃度変化が起こり，バイオフィルム形成が影響を受けるのか，
さっぱりわからなかった．しかし，最近の研究で，べん毛遺伝子が c-di-GMP の合成や分解に関与する遺伝子と相互作用して，その活性を制御するという事実が明らかになっている．そして，べん毛の固定子膜タンパク質が膜結合型の c-di-GMP 合成分解タンパク質の活性を制御していることも明らかになった．さらに，今年，長年の構造解析が待たれていたエネルギー変換複合体であるべん毛モーター固定子の構造解析も発表され，大きなブレークスルーが期待
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著者寸描●小嶋誠司（こじま せいじ）
名古屋大学大学院理学研究科 生命理学専攻教授（国際プログラム担当）
．博士
（理学）．
■略歴 1970 年愛知県に生る．94 年名古屋大学理学部卒業．99 年同大学院理学研
究科博士後期課程修了．同年 4 月米国ユタ大学生物学科博士研究員．2004 年 3 月
科 学 技 術 振 興 機 構 ICORP 博 士 研 究 員．
05 年 10 月 名 古 屋 大 学 理 学 研 究 科 助 手．
同研究科助教，講師，准教授を経て 20 年 10 月より現職．
■研究テーマと抱負 細菌べん毛モーターのエネルギー変換および回転制御の仕組みと，べん毛の形成位置・本数制御機構の解明を目指しています．太古の昔から存在し，進化の中で研ぎ澄まされた回転モーターの全貌を明らかにし，生命の基本機能である細胞運動の理解につなげたいと考えています．
■ウェブサイト http://bunshi4.bio.nagoya-u.ac.jp/~bunshi4/
proﬁle/kojima.html■趣味 読書・映画と音楽の鑑賞．学生時代はバレーボールをしていましたが最近は運動不足です．

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