100藻類 Jpn. J. Phycol. (Sôrui) 65: 100-109, July 10, 2017

藻類学ワークショップ I
原生生物学会出張ワークショップ・原生生物学的藻類学研究
ヌクレオモルフ・ゲノミクス - 二次細胞内共生に伴うゲノム再編 谷藤吾朗
細胞内共生によって宿主に取り込まれた共生体のゲノムは 800-1000 もの非常に短い（20nt 程度）イントロンが含まは，遺伝子の宿主核ゲノムへの移動 (EGT: endosymbiotic
gene transfer) や不要遺伝子の消失などのゲノム再編によりれている (e.g., Suzuki et al. 2015)。クロララクニオン藻類
ではイントロンが緑藻共生体から受け継がれたものであるこゲノムサイズが縮小する。このことは葉緑体やミトコンドリとが示唆されている一方で (Roy & Penny 2007)、クリプトアのゲノムサイズが自由生活性のバクテリアと比較して極端藻類では進化の過程でイントロンが消失したのか、起源紅藻に小さいことからも明らかである。原核生物 - 真核生物間のがはじめからイントロンが少なかったのか分かっていない。

細胞内共生の結果として成立しているのが葉緑体やミトコン

そのため、イントロン数の違いが異なる進化の結果なのか、ドリアであるが，真核生物­真核生物間の細胞内共生（二次もともとの共生体ゲノムの違いなのか明らかでない。

共生）に伴う遺伝子再編の様子を明らかにするためのモデルである。Nm は葉緑体の起源となった真核の二次共生体に由Nm ゲノムに含まれるタンパク質遺伝子は 500 個以下と少なく，それらは大きく 3 つのグループに分けることが出来る(e.g., Tanifuji & Archibald 2014)。ひとつはタンパク質発現来する残存核であり，これまでにクリプト藻類とクロララクに必要なハウスキーピング遺伝子群であり，一般に全ての真とされてきたのがヌクレオモルフ（以下；Nm）をもつ生物ニオン藻類でのみ報告されている。他の二次共生生物は共生核生物が共通してもつ遺伝子群である。Nm に含まれる遺伝体由来の核を完全に消失しているため，Nm にゲノムが残存子のうち約半数はハウスキーピング遺伝子である。機能既知していることが明らかになって以来，主に比較ゲノム学的アの遺伝子のほとんどは（90％程度）はこのグループに属し，プローチから生物間の遺伝的統合について研究が行われてきクリプト藻類，クロララクニオン藻類のそれぞれの系統内でた。本稿では，これまでのヌクレオモルフに関するゲノム研ほとんど同じ遺伝子セット（90％程度）が共有されている。

究を整理し，特にそもそもなぜ「クリプト藻類とクロララク

第 2 のグループは葉緑体関連遺伝子群であり，Nm ゲノムにニオン藻類だけが共生体核を残しているのか」という問題を含まれる全タンパク質遺伝子の約 5％程度（クリプト藻類で議論する。

クリプト藻類とクロララクニオン藻類のヌクレオモルフゲノムは収斂進化している18 ­ 31 個，クロララクニオン藻類で 17 個）と少ない。一般に光合成真核生物の核ゲノムには葉緑体に供給されるタンパク質が数百から千個程度コードされているが，クリプト藻類とクロララクニオン藻類でも Nm 及び葉緑体ゲノムに含まクリプト藻類は紅藻類を，クロララクニオン藻類は緑藻類

れていない多くの葉緑体タンパク質は核から供給されているを葉緑体の起源とし，また宿主となった生物の系統もそれぞ(Curtis et al. 2012)。そして最後のグループは機能未知のタ

れ全く異なる (e.g., Tanifuji & Archibald 2014)。それにもンパク質群である。これらのほとんどは他生物を含む全てのかかわらず，両者の Nm ゲノムは驚くほど似た特徴をもって既知タンパク質との相同性がなく，クリプト藻類，クロララいる (e.g., Tanifuji & Archibald 2014)。例えば，これまでクニオン藻類のそれぞれの系統内で比較しても共有するものに解析された全ての Nm が３本の線状染色体をもっているこが少なく保存性が低い。にもかかわらず Nm ゲノムに含まれとや，線状染色体のテロメア配列の内側（sub-telomeric 領域）るタンパク質遺伝子全体の 30% 以上を占めている。なぜこに共通してリボソーム RNA がコードされていることが挙げのような保存性の低いタンパク質がゲノム縮小の進化圧にさられる。さらにゲノムサイズは全て１M ｂｐ以下であり，概らされているはずの Nm ゲノムに豊富に残されているのか謎

ねゲノムサイズも似ているといえる。また，一般的な自由生である。いずれにせよ，クリプト藻類でもクロララクニオン活性の生物の核ゲノムに比べ，遺伝子間領域や遺伝子自体の藻類でも大まかな遺伝子群の分類，割合は一致しており，両配列が短いなどコンパクトなゲノム構造をしている。ゲノム

系統群の Nm ゲノムが収斂的に進化してきた結果，同じよう構造の共通点が何に起因するのか，現在まで十分な説明は存な遺伝子構成になったと考えられる。

在しないが，両 Nm で共通の進化的圧力がかかったことは明収斂的にゲノムが縮小してきた両系統群の Nm だが，ク白である。一方で，両系統群の Nm ゲノム構造上の違いはイロララクニオン藻類の方がクリプト藻類に比べゲノム縮小ントロンの数である。クリプト藻類の Nm ゲノムでは 0-30がより進んだ状態かもしれない。クリプト藻類とクロララのイントロンが見つかっているが，クロララクニオン藻類でクニオン藻類のハウスキーピング遺伝子は半数以上が共通す101る (Suzuki et al. 2015)。おそらくイントロンが豊富であるという理由でクロララクニオン藻類の Nm ゲノムに多く含ま共生を含め，大量の EGT を成功させている。この難問を成れているスプライシング関連遺伝子を除くと，クロララクニも DNA 移動を繰り返す」ことだろう。少なくとも葉緑体やオン藻類のハウスキーピング遺伝子の 80 ％程度がクリプトミトコンドリアの遺伝子移動はこのような方法で成功してき藻類の相同遺伝子に含まれる (e.g., Tanifuji et al. 2014)。すなわち，クロララクニオン藻類のハウスキーピング遺伝子のたと考えられる。実際，植物の核ゲノムには数百カ所の領域立させるための最も単純な方法は，「条件を満たすまで何度に葉緑体ゲノムとほぼ同一の DNA 配列が大量に存在してお多くがクリプト藻類のサブセットにみえる。また，これまり，例えばイネの核ゲノムには合計 800kbp 以上の葉緑体ゲ

で Nm ゲノムが解読されたクリプト藻類では Chroomonas

ノムとほぼ同一の DNA 断片が蓄積している (Matsuo et al.

mesostigmatica Butcher ex D. R. A. Hill だ け が プ ロ テ ア
ソーム関連因子を完全に欠いているが (Moore et al. 2012)，クロララクニオン藻類では共通して欠いている (Gilson et al.
2006，Suzuki et al. 2015，Tanifuji et al. 2014)。クロラ
ラクニオン藻類がより Nm ゲノムの縮小が進んだ状態かもしれないという示唆は、クロララクニオン藻類の Nm ゲノムの2005，Smith et al. 2011)。つまり，少なくとも植物では，葉緑体ゲノムの DNA 断片の移動は現代でも高頻度で起こっ方がクリプト藻類よりも，祖先近縁種のゲノムと比較した時ている。それらの DNA 断片に含まれる遺伝子領域が「たまたま転写・翻訳され，タンパク質が共生体由来の細胞質区画に戻って来ることが出来た場合に遺伝子移動が完了する」，というのが大量の EGT を最もシンプルに説明する仮説だろう。この仮説を前提とすれば，もしクリプト藻類とクロララに DNA 塩基配列の変異がより蓄積しているという事実とも

クニオン藻類の核ゲノムから多数の Nm DNA 断片が見つか合致する (Patron et al. 2006)。

れば，Nm ゲノムから宿主核ゲノムへの EGT が現在も進行なぜヌクレオモルフが残存しているのか？になる。

葉緑体とミトコンドリアに未だにゲノムが維持されるのこのことを検証するため，Curtis ら (2012) はクリプト藻

は，redox potential regulation 仮 説 で 説 明 さ れ る (Allen2003)。すなわち，葉緑体もミトコンドリアもエネルギー産類 Guillardia theta D. R. A. Hill & R. Wetherbee とクロラ

生オルガネラであり，オルガネラゲノム中の一部遺伝子発現がオルガネラ内の酸化還元電位によって制御されているたを解読した (Curtis et al. 2012)。その結果，意外なことに，ミトコンドリアからの DNA 断片の移動は示されたが，Nmめ，ゲノムの完全消失は遺伝子発現機構の破綻を意味する。と葉緑体からの DNA 断片の移動は全く検出されなかった。

よって一部の例外を除きゲノムを完全に失うことは出来な
い (Allen 2003)。しかしながら，この仮説は核を起源とする

すなわち，少なくとも G. theta と B. natans では現代における Nm ゲノムから宿主核ゲノムへの DNA 移動はほとんどなNm には当てはまらない。ではなぜクリプト藻類とクロララかったのである。もし今後 Nm から宿主核への EGT が起こ

クニオン藻類は共生体核を残しているのだろうか？前述のよらないのだとしたら，Nm から必須葉緑体関連遺伝子が消失うに，Nm に含まれる機能既知の遺伝子はほとんどがハウスする機会の多くが奪われることになる。なぜなら，核への必キーピング遺伝子であるが，相同遺伝子は宿主核にもあるの須葉緑体関連遺伝子の供給源が外部環境から核への水平伝播でこれらが Nm が残存している理由とは考えにくい。宿主核以外になくなるからである。つまり，Nm ゲノムの比較ではゲノムになく，Nm ゲノムにだけある必須遺伝子として想定ゲノム縮小の中途段階に見えたとしても，核ゲノムの情報をされるのは，葉緑体関連遺伝子である。Gilson ら (2006) は，加味すると，ゲノム縮小は事実上止まっているようにも見え

Nm ゲノムに保存されている多くのハウスキーピング遺伝子る。Curtis らはこの状況から Nm ゲノムを “frozen” と表しはわずかに含まれている葉緑体関連遺伝子の発現に必要なのであって，現在 Nm ゲノムに残る葉緑体関連遺伝子がやがてた (Curtis et al. 2012)。
なぜヌクレオモルフ・葉緑体から核ゲノムへの DNA 断片

宿主核ゲノムに移動してしまえば Nm ともども不要となるだの移動がないのだろうか？このことを説明するのに Limitedろうと議論した (Gilson et al. 2006)。
では，十分な時間さえ経てば Nm ゲノムの葉緑体関連遺説かもしれない。すなわち、「EGT の頻度は１細胞内に保伝子は核ゲノムへ EGT するのだろうか？そもそも EGT に持されるオルガネラの数に相関する」というものであるはどのような手順が必要か？まず，1)Nm の葉緑体関連遺伝(Barbrook et al. 2006)。Barbrook らは細胞内共生のごく子を含む DNA 断片が宿主核ゲノムに移動し，2)mRNA に中であり，今後 Nm が消失する可能性を大きく示唆すること

ラクニオン藻類 Bigelowiella natans Moestrup の核ゲノム

Transfer Window Hypothesis は も っ と も 説 得 力 が あ る 仮

初期は宿主が共生体の分裂を完全にはコントロールできな発現するような調節因子を獲得し，且つ 3) コードされるタかったため，複数のオルガネラをもつ生物のような状態だっンパク質が葉緑体に輸送されるためのシグナル配列を獲得したと想定した。複数のオルガネラをもっていれば，何らかのなければならない。少なくともこれら 3 つの段階を踏まね理由で一つのオルガネラが崩壊したとしても，他にも同機

ば Nm ゲノムにある必須な葉緑体関連遺伝子は EGT を経た能を担うオルガネラが存在しているので機能が大きく損な消失はできない。それほど簡単に成立するステップとは思えわれることは考えにくい。この時壊れたオルガネラのゲノないが，実際に他の共生体核を失った二次共生生物や一次ム DNA は核ゲノムへ移動するチャンスを得るだろう。一方

102で，オルガネラが単一だった場合はオルガネラの崩壊は致死いた原著文献の著者の皆様にお詫び申し上げます。

を意味する。実際，生物の核ゲノムに蓄積するオルガネラ

DNA 断片の量は細胞あたりに含まれるオルガネラの数に相関することは広く真核生物で見受けられている (Smith et al.
2011)。核ゲノム解析がなされたクリプト藻類 G. theta とク
ロララクニオン藻類 B. natans は単一の葉緑体と Nm，及び複数のミトコンドリアをそれぞれ細胞中にもっている。前述のように Nm と葉緑体からの DNA 断片の移動は全く見つからなかった一方で，G. theta では 13 個，B. natans では7 個のミトコンドリアとほぼ同一の配列が発見されており，Limited Transfer Window Hypothesis に合致する (Curtis etal. 2012)。よって，細胞内共生が成立する初期あるいは直前では葉緑体と共生体核を含む区画が複数存在したが，一定の進化段階で（少なくとも G. theta と B. natans では）単一の葉緑体とヌクレオモルフとなったために，それ以上積極的な EGT が起こらなかったと考えれば，Nm がゲノム縮小の中間的特徴を示すにもかかわらず，積極的な EGT が起こっていないように見えることも合点がいく。逆説的に言えば，他の二次共生生物は共生体が複数あるうちに必須遺伝子のEGT が完了したのかもしれない。
ヌクレオモルフ・バイオロジーは終わらない

これまでの Nm の比較ゲノム研究は一定の成果を上げたといっていいいだろう。しかしながら解決できていない問題は残っている。誌面の都合上で説明に大きく割くことは出来な
いが，本当に Nm ゲノムの縮小が止まっているのか必ずしも決着がついたとはいえない上，Nm に多く含まれる機能未知タンパク質の存在意義は明らかではない。Nm をモデルとした研究はゲノミクスを主軸とした研究から，より生物学的な解析が必要な局面を迎えている。これからも Nm をもつ生物を用いた生物学は真核̶真核の細胞内共生におけるゲノム再編の様子をより詳細に明かしていくことになるだろう。

謝辞

引用文献
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本稿の執筆の機会を頂いた日本藻類学会と日本原生生物学会に感謝申し上げます。誌面の都合により割愛させていただ（国立科学博物館動物研究部）