日本細菌学雑誌
75（ 3 ）：195–214，2020©2020 日本細菌学会

総説

ビブリオ属菌のべん毛関連遺伝子と機能
錦

野

達

郎 1・小

嶋

誠

司 2・本

間

道

夫2

1

2

大阪大学蛋白質研究所
名古屋大学大学院理学研究科生命理学専攻
2〒 464–8602 名古屋市千種区不老町
E-mail: g44416a@cc.nagoya-u.ac.jp［受理：2020 年 10 月］

細菌はべん毛によって運動することができる。しかし，その運動は，生育に全く必要ない。研究室の培養環境では，べん毛欠損株は，野生株と全く同様に生育する。べん毛は 20 個以上の構成タンパク質から組み立てられ，それら
のべん毛構造蛋白質をコードする遺伝子や発現を調節する遺伝子が 50 個以上存在する。べん毛の組み立てコストは非常に大きなものであるが，運動器官として進化したということは，それだけ大きなコストをかけても，細菌の生き残りには必要ということなのだ。本総説では，筆者らが行ってきたべん毛関連研究とビブリオ属菌のべん
毛研究を中心に解説したい。

はじめに

1．ビブリオ菌の分類と進化

ビブリオ属菌は，海洋環境から広く分離され，増殖に一初期の細菌分類の指標では，桿菌であり活発に運動する

般的にナトリウムを要求するグラム陰性通性嫌気性の細菌

好 塩 性 菌 が， ビ ブ リ オ 属 と し て 分 類 さ れ た。 し か し，である。多くのビブリオ細菌は桿菌であるが，やや曲がった

16SRNA の配列や DNA 相同性試験によって，また最近でバナナ状またはコンマ状の形態を示すものも存在する。コレはゲノムの配列決定によって，その分類が大きく変更され

ラ菌 Vibrio cholerae は，下痢原性の細菌として約 150 年前にている (148，170)。ビブリオ属菌は，真性細菌のプロテ発見されている (170)。腸炎ビブリオ菌 V. parahaemolyticus

オバクテリア門・ガンマープロテオバクテリア綱の約 20もヒトに下痢を起こす病原菌として，1950 年に日本で分に分けられた属の一つに分類されている（図 1A，B）。ビ

離 さ れ た (141)。 海 洋 性 ビ ブ リ オ 菌 V. alginolyticus は V.

ブ リ オ 科（Vibrionaceae） の 菌 は，8 つ の 属 に 分 け ら れ，parahaemolyticus と非常に近縁ではあるが，ヒトに対してビブリオ属菌は 14 のクレードに現在は分類されている（図の病原性はほとんどなく，一方で魚やエビなどには病原1C）。多くの細菌は 1 本の染色体を持っているが，ビブリ性を持ち，海中でキチン質などの分解に関与する海洋物質

オ属の菌は，大染色体（3～4 Mb）と小染色体（1～2 Mb）

分解サイクルに重要な菌である (8，60)。V. vulnificus は普の 2 本の染色体を持っている (27，128)。従って，総ゲノ段ヒトに病原性を示さないが，免疫機能の低い人に侵入

ムサイズとしては，4～6 Mb となる。γ プロテオバクテリ

すると全身感染を引き起こして人を死に至らしめる。V.

アの中では，他に Pseudoalteromonas 属の染色体が 2 本でanguillarum は魚に感染して病気を引き起こす。V. fischeri

あることが分かっている。大染色体（Chr1）は，E. coli のも魚に感染性であるがこちらは，発光バクテリアとして有oriC に似た複製起点（ori1）をもち，複製開始因子である

名である (10)。どの菌も菌体の極に一本から数本の極べん

DnaA の結合ボックスが ori1 に存在している (29)。小染色毛（Polar flagellum: Pof）をもつ。Harveyi クレードに属す体（Chr2）の複製は，ビブリオ属に特有な複製開始因子

る V. alginolyticus と V. parahaemolyticus は，極べん毛に加え，である RctB が ori2 に結合して，プラスミドの複製開始因

環境条件により極べん毛とは形態的に異なった側べん毛子に類似した機構で制御されていることが示されている（Lateral flagella: Laf）が，菌体周囲に何十本も発現してく(52，133)。Chr1 と Chr2 が協調的に複製される必要があり，ることが知られている (104)。側べん毛は魚の表面への付Chr1 の複製が阻害されると Chr2 の複製も阻害される機構

着や表面での移動に関与していることがわかっている。

が備えられている (137，138)。γ プロテオバクテリアに属195

図 1．細菌の分類とビブリオ属菌の系統（A）プロテオバクテリア門に属する主な細菌綱の系統。（B）ガンマープロテオバクテリア綱に属する細菌目の系統。（C）ビブリオ属に属するビブリオ科細菌のクレード解析。澤辺らの論文（148）を参考に書いた。

する大腸菌（Escherichia coli），シュワネラ菌（Shewanella

伝搬が大きく寄与していると考えられている (76，156)。

putrefaciens），緑膿菌（Pseudomonas aeruginosa）などは約

V. cholerae のゲノム配列から DNA 複製，修復，転写翻訳，

5～6 Mb のゲノムサイズを持ち，1 本の染色体であること

細胞壁合成，その他の中心的な分解や生合成経路の遺伝子から，ビブリオ属菌の染色体は，プラスミド由来の複製開は，Chr1 に存在する。加えて，細菌の病原因子に関わる始点が入り込み，2 つのレプリコンに分断されたと考えて毒素共発現ピリ（TCP: toxin-coregulated pilus），コレラ毒もいいのかも知れない。2 本に分かれた利点として，染色素，リポ多糖，細胞外蛋白質分泌装置の遺伝子も Chr1 に体の複製が短時間で行えるという推測がなされている存在する。一方，Chr2 にはプラスミドで特徴的に見られ(180)。ビブリオ属菌が早い増殖速度をもっていることとる遺伝子捕捉系（integron island）や宿主耽溺（addiction）

関連が想像されている。

遺伝子が存在している。また，V. parahaemolyticus の病

ビブリオ属菌のゲノム解析は，ヒトに病原性があるとい

原 性 に 必 要 な TypeIII 分 泌 機 構 に 関 わ る 遺 伝 子 を 含 むうことから，V. cholerae と V. parahaemolyticus の 2 種の菌がpathogenicity island は，Chr2 に存在する。ビブリオ属の染進んでいる。V. cholerae と V. parahaemolyticus の 2 本の染色

色体の大きさの多様性は，Chr2 でより顕著に見られる。

体を比べてみると，V. cholerae が 2961 kb と 1072 kb に対して V. parahaemolyticus は 3289 kb と 1877 kb であり，2 本の2．2 種類のべん毛をもつ海洋性ビブリオ菌

染色体ともに V. cholerae の方が小さい (39，87)（図 2）。V.

腸炎ビブリオ菌 V. parahaemolyticus が，はじめに同定さparahaemolyticus の属する Harveyi クレードの V. harveryi のれたときには，単一の外膜からつながった鞘を持った極べ染色体は，3718 kb と 2321 kb と大きい (172)。染色体がん毛だけが報告されたが (112)，その後，固い寒天培地の大きくなる原因としては，生存環境に応じて，より生き残上では，鞘を持たない周毛性の側べん毛が生えると報告さりに有利な遺伝子を取り込んだ結果であると推測できる。

れた (1，178)。腸炎ビブリオ菌の近縁種である海洋性ビ

この染色体の変化には，トランスポゾン（Tn）や挿入配列

ブリオ菌 V. alginolyticus でも，極べん毛と側べん毛という（IS），ファージなどが染色体に入り込んだ事が，関与して機能的に異なる 2 種類のべん毛を 1 つの菌体が持つ（図 3）いる。また，大きく染色体が変化する際に，遺伝子の水平(1)。極べん毛または側べん毛のみを発現する変異株（図196日本細菌学雑誌

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図 2．ビブリオ属菌のゲノム
V. cholerae 染色体（A）と V. parahaemolyticus 染色体（B）は，2 本の染色体からなる。サイズの大きな染色体を染色体 1，小さい方を染色体 2 とした。Vibrio pathogenicity island（VPI），コレラ毒素をコードする CTXϕ ファージ領域，遺伝子捕捉領域（integron island），べん毛遺伝子領域（染色体 1：I, II, III, IV, V，染色体 2：I, II），ナトリウム輸送型 NADH- キノン酸化還元酵素領域（NQR）を環状染色体において黒く塗った。

り，側べん毛はある程度粘性が高い条件下での運動に適していると考えられている。V. cholerae は側べん毛は持たずに，極べん毛しか持っていない。側べん毛遺伝子は，Chr2の 2 つの領域に存在しているが，極べん毛遺伝子は，Chr1に散在している（図 2）。
V. parahaemolyticus と V. alginolyticus において，1 つの菌体に二種類のべん毛が形成され，機能的な違いがあることが明らかになった。一般的にべん毛運動のエネルギー源は膜を介したプロトンの電気化学的ポテンシャル差であることが明らかにされていたが，V. alginolyticus の極べん毛運動がナトリウムイオンの電気化学的ポテンシャル差を使って運動することが報告された (19)。2 種類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分かった (7，58)。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，ビブリオ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
図 3．海洋性ビブリオ菌の電子顕微鏡観察
V. alginolyticus の野生株（138-2：A），極べん毛欠損株（YM19: B）
側べん毛欠損株（VIO5：C），多極べん毛変異株（KK148：D）。

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 (99)。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）を用いた実験から，極3B，C）を用いて，極べん毛と側べん毛の機能的な違いが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調べられている (6)。低い粘性下では，極べん毛による運動 に よ り 60 μm/sec で 遊 泳 で き る が， 側 べ ん 毛 で は 20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μm/sec 程度でしか遊泳できない。粘性が上がるにつれ，れている (57)。しかしながら，30 年以上も前に発見され極べん毛による運動能は低下し，側べん毛による運動能は40 μm/sec まで上昇し極べん毛の運動能を上回った。このた現象であるが，未だにどのようにして極べん毛が粘性を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感知しているかわかっていない。

ことから極べん毛は粘性の低い条件での遊泳に適してお197

3．べん毛遺伝子の転写制御

出され，その結果，細胞内の FlgM 濃度が減少し FliA が活性化されてクラス III の発現が開始されると考えられて細菌のべん毛構造や遺伝子は，大腸菌やサルモネラ（ネいる (83，123，171)。べん毛形成における遺伝子発現調

ズミチフス）菌（Salmonella Typhimurium）で最も良く研節の要は，間違いなく FliA-FlgM システムであるといえる究されている。機能や構造に必要な遺伝子構成は，どの細だろう。しかし，これだけでは複雑な構造体ができあがる菌でも基本的には良く似ているが，種によって特徴的な構メカニズムは説明できない。FliA と FlgM の調節系以外に造をもつものもある。一般にグラム陰性菌のべん毛は細菌

も，べん毛特異的シャペロンによる発現の調節機構が明ら

表層膜系内に埋まった基部体（basal body）と菌体外に長かになっている。クラス III プロモーターからの flgM 遺伝

く伸びるらせん型のべん毛繊維（filament）および両者を子 mRNA の 翻 訳 に は，HAP（ フ ッ ク 付 随 タ ン パ ク 質：

つなぐフック（hook）から成っている。基部体は，外膜FlgK, FlgL, FliD）のシャペロンである FlgN が必要である。

およびペプチドグリカン層に結合する LP リング，内膜に結合する MS リング，それらをつなぐロッドから成り立っている。基部体の周りにはイオンの流入と共役してべん毛
回転を駆動する膜タンパク質 MotA と MotB（ビブリオ菌の極べん毛では，PomA と PomB と呼ばれる）からなる固定子複合体があり，細胞質側にはモーターの回転方向を制御するスイッチ複合体あるいは C リングと呼ばれる構造
が MS リングの直下に存在して，その内部にべん毛タンパ
ク質特異的輸送装置が存在する。これらのべん毛構造蛋白質をコードする遺伝子やそれらの発現を調節する遺伝子が50 個以上存在する。先にも述べたが，V. alginolyticus と V.
parahaemolyticus は極べん毛と側べん毛の 2 種類のセット
のべん毛遺伝子が別々に存在する（図 2）(104，183)。
べん毛遺伝子の発現は，その構造形成と共役している。
すなわち，基部体とフックの構造が完全にできあがるまではべん毛繊維形成や，モータータンパク質，化学感覚受容体やシグナル伝達に関する遺伝子の発現は起こらない。これはべん毛の遺伝子の発現機構が厳密な階層構造をもつことによる。細菌のべん毛関連遺伝子においては，50 個以上もの遺伝子がオペロンを形成し，3 つあるいは 4 つのクラスに分けられて発現制御されている (168)。サルモネラ
菌や大腸菌においては，約 50 個もの遺伝子が 17 のオペロンを形成している。これらのオペロンは発現の順番により
3 つのクラスに分けられる（図 4A）。マスターオペロンに属する遺伝子によりコードされる FlhD, FlhC は，クラス
II に属するオペロンを活性化することにより全てのべん毛
遺伝子の発現を最上位で支配する (88)。次に，クラス IIに属するべん毛特異的な σ 因子である σ28（fliA）が下位のクラスあるいは同じクラスに属する他のオペロンの発現を正に調節する。クラス II には基部体やフックの形成に関与する遺伝子群が属している。クラス III にはべん毛繊維を形成するフラジェリンを含めべん毛形成の最終段階である繊維形成に関与する遺伝子群や完成したべん毛の機能に関与する遺伝子群が属している。クラス III に属する
flgM は，クラス II 遺伝子の下流にあるためクラス II プロ
モーターからも転写を受け，fliA のアンチシグマ因子として働く。FlgM は FliA シグマ因子に結合し，FliA の RNA
ポリメラーゼ・コア酵素への結合を阻害することでクラス
III 遺伝子群の発現を負に制御する。フックが完成すると，FlgM はフックおよび基部体構造の中を通って菌体外に排198

図 4．べん毛遺伝子の構成
S. Typhimurium の プ ロ ト ン 駆 動 型 で あ る 周 べ ん 毛（A），V.
cholerae の ナ ト リ ウ ム イ オ ン 駆 動 型 で あ る 極 べ ん 毛（B），V.
parahaemolyticus のプロトン駆動型である側べん毛（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。S. Typhimurium のべん毛遺伝子は，染色体の 4 つの領域
（region I, II, III, IV）に分布し，V. cholerae の極べん毛遺伝子は，染色体 1 の 6 つの領域（region I, II, III, IV, V, VI）に分布する。V.
parahaemolyticus の 側 べ ん 毛 遺 伝 子 は， 染 色 体 2 の 2 つ の 領 域（region I, II）に分布する。S. Typhimurium と E. coli のべん毛遺伝
子， ま た は V. alginolyticus，V. parahaemolyticus と V. cholerae の 極
べん毛遺伝子の構成はほぼ等しい。

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フックの形成に伴い HAP が輸送されると，FlgN は単体にる。海洋性ビブリオ菌やコレラ菌，緑膿菌は極に 1 本のべなる。この単体 FlgN がクラス III からの FlgM の発現を促ん毛を持ち，べん毛の形成位置や本数制御おいて，類似のす。発現した FlgM はそのまま輸送されるが，このときク制御機構を持つことが報告されている。べん毛の形成位置

ラス II から発現し細胞内で FliA シグマ因子に拮抗していと本数に関する遺伝子が，シュードモナス属で同定された。

た FlgM も FlgN により輸送されると考えられる。結果とP. putida では FlhF がべん毛形成位置決定に関与し，FleN

して細胞内の FlgM 濃度が低くなり，FliA がシグマ因子とがべん毛の本数制御に関わっていることが報告されして機能して，フラジェリンなどクラス III 遺伝子からの(134)，FlhF 欠損株は極以外にもべん毛を形成すること，P.

発現を活性化するのである。フックが完成しフィラメント

aeruginosa では FleN（V. alginolyticus のホモログは FlhG）の合成が始まると，フック系の基質は輸送されなくなり細欠損株が多数のべん毛を持つことが報告されている (23)。

胞内にとどまることになる。すると，FlgN は HAP のタン

また，V. alginolyticus の FlhF と FlhG についての研究が行パク質と結合しシャペロンとしての機能に戻るため，クラ

われ，緑膿菌と同様に flhF 欠損株は極べん毛を持たず，ス III からの FlgM の発現及び輸送が行われなくなる (55)。

flhG 欠損株は極に多数のべん毛を持つことが報告されていこのように抗シグマ因子 FlgM の発現，輸送が調節されるる（図 3D）(81，80)。これら報告の中で，FlhF を大量発ことによって，FliA-FlgM のシステムは緻密に制御されて現させると極べん毛の数が増え，FlhG を大量発現させるいるのである。また，フラジェリンのシャペロンである

とべん毛の数が減るということ，また，FlhF と FlhG の共FliS は FlgM の輸送を負に制御することが発見されている発現は FlhG 単独で発現したときよりもべん毛数を劇的に(181)。その他，FliT と FliZ が，クラス II プロモーターか減少させ，変異体解析から FlhF の GTP 結合ドメインがべらの転写の負と正の制御因子であることが推定されているん毛の位置制御に重要であることが示されている。コレラ(82)。べん毛レギュロンの一番上位の制御因子 FlhD-FlhC

菌でも FlhF と FlhG（FleN）について研究がおこなわれ，が ATP 依存プロテアーゼの一種である ClpXP により分解

FlhF はクラス 3 遺伝子の発現を促進するため，べん毛本

制御を受けていることが示されて，べん毛の発現制御の新数を増加させ，FlhG はフラジェリンなどの遺伝子の発現

たなグローバルな側面が明らかにされている (171)。

を抑制し，べん毛本数を減少させることが報告されている

V. parahaemolyticus と V. cholerae の極べん毛遺伝子の発(22)。さらに，V. cholerae において FlhF への GTP 結合が

現 制 御 が 推 測 さ れ て い る（ 図 4B）(28，104，155)。V.

べん毛形成に影響を与えるが，FlhF の GTPase 活性はべcholerae では，オペロンの発現の順番により 4 つのクラス

ん毛形成機能に必須ではないことが示されている (38)。V.

に分けられて，オペロンの転写制御のモデルが出されていalginolyticus でも FlhF の GTPase モチーフは重要であるが，る (21，136)。pomAB や motX のモーター遺伝子やフラジェ

GTPase 活性を失った変異体でも，べん毛形成には異常はリンをコードする遺伝子 flaB, flaC, flaD, flaE，そして，推定抗 σ 因子をコードする flgM を含むオペロンは，σ28 型

おきないこと，そして FlhF の GTPase 活性は FlhG によっのプロモーター配列を持ち，fliA 遺伝子のコードする σ28においても ATPase モチーフは細胞内での局在の制御に重に依存して発現することが確認されている。これに対して，

要であるが，ATPase 活性がなくても，FlhF の抑制活性はコアフラジェリンをコードする flaA やモータータンパク

あることが示されている (130)。FlhF は，GTPase 活性に

質 を コ ー ド す る MotY と フ ッ ク 基 部 体 の 構 造 遺 伝 子 やHAPs などは，FlrC と σ54 に依存した発現を示す。最初に共役し生合成されたタンパク質の膜透過に働くシグナル認

転写されるのは flrA であり，その産物である FlrA と σ54

FlhG は ATPase 活性を持つ細胞分裂制御因子の MinD と相がクラス II オペロンの転写を起こす。FlrB のリン酸基が同性がある。しかし，FlhF, FlhG の酵素活性とその局在がFlrC に転移され，活性化される。V. parahaemolyticus の極

どのようにべん毛の数と形成位置を制御しているかは解明

べん毛遺伝子も，遺伝子名は異なってつけられているが V.

されていない。in vitro で酵素活性や機能を明らかにする

cholerae と同様な転写制御によって調節されていることがために，V. alginolyticus の FlhG が大量発現系で精製されて分かっている (62，103)。ビブリオ属の極べん毛制御は，いるが，低い塩濃度で凝集しやすくなり，ATP 依存的に同じ極べん毛をもつシュードモナス属のべん毛遺伝子の制

その凝集が押さえられることが明らかとなり，ATP 結合

御機構と類似している (150)。V. parahaemolyticus の側べんによる FlhG の構造の大きな変化が推測されている (69)。

毛遺伝子の転写制御も解析され，階層的に制御されている以上のことから，べん毛の数は FlhF によって正に FlhGていることが分かっている（図 4C）。面白いことに，周毛によって負に制御され，また FlhF と FlhG が協同して働性の V. parahaemolyticus の側べん毛遺伝子のマスター制御
遺伝子は σ54 タイプであるが，下流は大腸菌のもつ σ28

くことでべん毛形成が正確に制御される。そして，FlhF

型に近い制御因子が働いている (153)。

ていると考えられている（図 5）(81)。

4．ビブリオ菌べん毛の数と位置制御
べん毛の数や位置を制御するのは非常に重要なことであて促進されることが示されている (74，75)。また，FlhG

識粒子（SRP）の Ffh や SRP 受容体の FtsY と相同性があり，は菌体の極に局在して，べん毛の形成位置を同時に制御し
FlhG と FlhF 以外にもべん毛の本数と形成位置を制御する遺伝子が見つかっている。FlhF と FlhG が欠損した株から，極べん毛が菌体の周囲に形成され運動能を回復した抑199

V. alginolyticus では，hubP 欠損で SflA と FlhG の極局在が失われることが示されている (48，160)。SflA と FlhG がべん毛の形成を抑える働きがあることを考えると，これら2 つのタンパク質の阻害機能の強さを調節しているのではな
いかと想像される。まとめると，V. alginolyticus 極べん毛の数と位置の制御には，FlhF，FlhG，HubP，SflA が主に関与していることが示され，モデルが提案されている（図 5）。
5．べん毛繊維タンパク質フラジェリン
多くのビブリオ属菌において，極べん毛は少なくとも 2
種類のフラジェリンから構成されていることが知られている。V. parahaemolyticus では，極べん毛のフラジェリンを
図 5．ビブリオ菌の極べん毛の位置と数の制御モデル
べん毛構成タンパク質が十分に合成されると，FlhG はマスター
レギュレーター FlaK に作用して，極べん毛遺伝子の発現を低下させる。これによって，余分なタンパク質合成を抑制する。FlhF
は GTP と結合してホモダイマーを形成し，菌体の極に局在する。
FlhF は，MS- リング構成タンパク質 FliF の極でのリングの形成を促進する。FlhG は ATP と結合して，FlhF の極での促進活性を，
HubP 依存的に抑制する。一方，SflA は，FlhF が欠損しているとMS- リング形成を阻害する。SflA と FlhG は HubP 依存的に極に局在できる。総説（73）から引用した。

コードする遺伝子 flaA～flaF の 6 つが同定され，5 つのオペロンから構成されている (102，103)。これらの遺伝子は，染色体上で flaFAB（Region II）および flaCDE（Region I）の 2 つの領域に分かれている。flaA，flaB および flaD は，
σ28 型のプロモーター配列を持ち大腸菌において σ28 をコードする fliA 遺伝子に依存して発現することが確認されている。これに対して，flaC の発現は，fliA には依存しない。
flaC は σ54 型のプロモーターを持つが，σ54 を欠損した大腸菌の菌体中でも発現をすることが確認されている

圧変異体が得られた (67)。極べん毛性の菌を周毛性に変(152)。flaAB 部位の下流には，flaG，fliD，flaI，fliS，flaK

換できたことになり，この変異体においては，べん毛形成（flrA）が存在する。FliS はフラジェリン遺伝子の発現調節

開始が菌体のどこにでも起こることができるようになったに関係し，FliK は，σ54 を含む RNA ポリメラーゼのアクと考えられる。この抑圧変異の原因が，染色体ゲノム配列

チ ベ ー タ ー し て 働 く NtrC，NifA 等 の ホ モ ロ グ で あ る。

を決定することで，sflA という遺伝子の欠損であることがflaC の発現には，fliS と flaK の両方が必要であるのに対し示された (64)。SflA は，1 回膜貫通タンパク質で，細胞外て，他のフラジェリン遺伝子の発現には，fliS は必要だがドメインに TPR（tetratricopeptide repeat）モチーフをもち，

flaK は必要でない。fliD は HAP2（べん毛繊維キャップタ

細胞質領域に DnaJ ドメインを持ち，極以外からのべん毛ンパク質），flaI はロッド（Rod）タンパク質のホモログを形成を阻害すると推測されている。細胞外ドメインは構造決定され，何らかのシグナルを受け取っていると考えられそれぞれコードしているが，flaG は 15 kDa の機能未知のタ ン パ ク 質 を コ ー ド す る。 ま た，V. alginolyticus の σ54ているが，どのように機能しているのかは不明である

RNA サブユニットをコードする rpoN 遺伝子がクローニン(142)。

グされ，極べん毛遺伝子の発現に関わっていることが，直V. alginolyticus では，hubP を欠損すると極べん毛が多毛

接的に示されている (59)。V. cholerae でも極べん毛では，になることが報告されている (160)。HubP は V. cholerae

5 種類のフラジェリンが同定されており，同様な制御を受で 1 回膜貫通型の極局在タンパク質として存在が明らかとけていることが示されている (28，65)。

なった (179)。HubP は，すべてのビブリオ属，フォトバ
クテリウム属，およびその他のいくつかの γ プロテオバク

6．べん毛形成テリアで保存されている。HubP の N 末端と C 末端は，緑べん毛の構造は，基本的には膜に埋まったべん毛の基部

膿菌の IV 型線毛の形成に対する正の調節因子である FimV

構造（Basal body）に，その根本から先端に向けて構築さと類似している (176)。HubP には，N 末端側にペリプラズ

れていく。この構築の基本的なスキームは，サルモネラ菌

ムペプチドグリカン結合モチーフ（LysM），C 末端側に繰返の多くの変異体の構造解析から，単純なものから複雑な構

し配列を含む大きな細胞質側領域がある。LysM ドメイン

造が作られていくという流れで作られた (154)。基本的なは HubP の極局在に重要であり，細胞質領域で ParA 様タ

べん毛の構造形成については，サルモネラ菌のべん毛で研ンパク質（ParA，ParC，FlhG）と相互作用することが示さ究が進んでいる（図 6A）(93)。まず始めに FliF から成る

れている (179)。HubP は，染色体分配と走化性受容体のMS-リングが作られ，膜に埋め込まれて構造形成が開始さ配置に関与していることが示唆されていたが，V. ­cholerae

れると考えられている (42)。MS-リングは基部体の中心とでは，べん毛の数は hubP を欠損してもほとんど影響がなる構造でべん毛形態形成の最初の段階で電子顕微鏡によなかった (179)。Shewanella putrefaciens でも，HubP が V.

り観察される (77)。65 kDa の一種類のタンパク質からでcholerae と同様の役割を持つことが示唆されている (139)。

きているにもかかわらず 2 枚のリング構造を作るような複200

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ないことから，スイッチ複合体はべん毛回転の向きを変化させる機能のみでなく，べん毛構造を構築する上で重要な働きをもつ。C-リングについては，回転子として第 8 章で詳しく取り上げる。
べん毛構造の大部分は細胞膜より外側に位置しているので多くの部品は細胞膜を透過しなければならない。ほとん
どのべん毛タンパク質は，Sec 系膜透過装置により認識されるシグナルペプチド配列を持たず，べん毛特異的なチャネルにより運ばれる (92)。べん毛繊維やフックの中心部にある中空構造がそのチャネルとなる (114)。べん毛の分泌輸送装置は，細菌の病原因子の TypeIII 輸送装置と相同性があることが分かっている。チャネルの入り口にはべん
毛タンパク質を特異的に選択し輸送するべん毛輸送装置が存在し，FlhA, FlhB, FliP, FliQ, FliR の 5 種の膜タンパク質と FliH，FliI，FliJ の 3 種の細胞質タンパク質により構成されている (109)。輸送装置の構造もクライオ電子顕微鏡
によって構造が明らかにされつつある (26，78)。輸送基
質 と し て フ ラ ジ ェ リ ン（FliC），HAPs（FliD，FlgK，FlgL），抗シグマ因子（FlgM），フックタンパク質（FlgE），
フックキャップタンパク質（FlgD）などがある。基質にはフラジェリン型とフック型があり，基質に対応したシャ
図 6．細菌べん毛の形態形成モデル（A）サルモネラ菌で得られているべん毛形成スキームを総説（93，168）の図を参考に記載した。形成のモデルは，構造が単純なものから複雑なものまで構築されているという仮定に基づいて作成されている。べん毛の形態形成は，FliF が膜に組み込まれリング形成することから始まると考えられているが，TypeIII 輸送体コアから形成されるというモデルも提案されている（78）。（B）ビブリオ菌 FliF の MS- リング形成モデル。2 回膜貫通タンパク質FliF の N 末側の TM が合成されると，シグナル認識粒子（SRP）
が結合する。この状態の結合は，効率的に Sec トランスロコンへの受け渡しができない。ここに，FlhF が作用することによって，FliF を Sec トランスロコン効率良く挿入して，FliF の膜通過を可能にする。ただし，一般的に大きな膜タンパク質は Sec トランス
ロコンを介して細胞膜に挿入されると考えられているが，FliF がSec トランスロコンを介しているという証拠はない。膜挿入された FliF は FliG と相互作用することによって，リング形成が促進される。寺島らの論文（165）を参考に描いた。

ペロン（FlgN，FliT，FliS）が細胞内で識別し，輸送装置に運び分泌される (33，61)。FliI は FOF1-ATPase の β サブ
ユニットの活性部位と相同性があり，ATPase 活性も実際に確認されている。また，FliH は FliI と複合体を作り，そ の ATPase 活 性 を 抑 制 し て い る。 こ の 複 合 体 が FlhA,
FlhB と相互作用して基質を膜に挿入していくと考えられている (106)。効率的な輸送には ATP のエネルギーとプ
ロトン駆動力が必要なことが示されている (110，135)。
最近では，in vitro の輸送系の再構成によって，ATP 加水
分解エネルギーとプロトン駆動力のどちらか片方のエネル
ギーさえあれば輸送が起こることが明らかにされた(166)。TypeIII による輸送では，分泌基質はタンパク質のN 末端（もしくは mRNA の 5' 末端）に分泌シグナルを持ち，また C 末端側へシャペロンが結合することにより分泌が雑な形を FliF がとると考えられていた (173)。この複雑な制御されている (30，108)。輸送基質である FlgK（HAP1），

構造がクライオ電子顕微鏡によってサブアトミックレベル

FlgL（HAP3）とこれらの特異シャペロンである FlgN とで解かれた (53)。In vitro で大量に FliF を発現させるとの間には直接の結合が観察され，その相互作用には C 末MS-リング形成は起こると思われるが，in vivo では FliP，端が必要であることが示されている (61)。シャペロンがFliQ，FliR という 3 つのタンパク質から成る TypeIII 輸送

結合することで分泌タンパク質の分解が防がれていると考体のコアの周りに FliF が集合して MS-リングとなるモデ

えられるのだが，FlgN がシャペロンとして働き，リプレッ

ルも出されている (78)。輸送を担う FlhA と FlhB 膜タン

サータンパク質の分泌を制御することによって，タンパクパク質の FlhB の膜貫通領域が FliPQR のコアに巻き付い質合成を制御するという新しい面が見つかった (55)。M-ている構造も出されている (79)。MS-リングが形成されるリングの内側にべん毛特異的輸送装置が配置されるとべんと，その下に FliG，FliM，FliN という 3 種のタンパク質

毛タンパク質の輸送が始まる。FlgJ がロッドキャプタンパ

からなるスイッチ複合体と呼ばれるリング状構造（C-リンク質となって，FlgB，FlgC，FlgG，FlgF，FliE がロッド

グ）が作られる (32)。MS-リングを構成している FliF のを形成する。しかしロッドの成長は，おそらくペプチドグ

C 末端と C-リングを構成している FliG の N 末端が相互作

リカン層の障害のために，すぐに止まる。そこで，ムラミ

用してリング構築されると考えられている (90，122)。ス

ダーゼ活性を持つ FlgJ がペプチドグリカン層に孔をあけ，

イッチ複合体の遺伝子欠損によりこれ以降の構造が作られロッドの形成を助ける (115)。その後，ペプチドグリカン
201

層に FlgA がシャペロンとして働いて P-リング（FlgI）があることを考え合わせ，FlhF が FliF の膜挿入をアシスト形成され，さらに外膜に L-リング（FlgH）が形成され，し，膜挿入された FliF のリング形成を FliG が促進していこれらを貫通する形でロッドが完成する。FlgI と FlgH はるというモデルが提案されている（図 6B）。

他のべん毛タンパク質とは異なり，シグナルペプチドをも

ビブリオ属菌の極べん毛の基本的な構造は，サルモネラ

ち Sec 系膜透過装置に依存して分泌される (91)。ロッド

菌や大腸菌のべん毛と同じである。大きく異なる点は，ビが完成すると，先端へのフックの重合が始まるが，これにブリオ属菌の極べん毛は，外膜からつながった鞘に覆われはフックキャップタンパク質と呼ばれる FlgD が重要な役ている点である (20)。そして，H-リング，T-リングと呼割を持つ。FlgD は伸長するフックの先端に位置し，重合ばれる 2 つのリング構造が，LP-リング構造の外側に存在の間，フックタンパク質 FlgE は FlgD のキャップの下にすることである（図 7）。極べん毛の早い安定な回転のた挿入される。フックが完成すると，FlgD は FlgK という別めに必要な構造であろうと推測されている。H-リングののタンパク質に置き換わる (124)。FlgK は HAP1（hook

主要な構成タンパク質が FlgT と FlgO であることが示さ

associated protein 1）ともよばれ，
HAP3（FlgL）と共にフッれ，H-リングを欠損するとべん毛繊維が外膜を押し上げ

クとべん毛繊維の間をつなぐ (44)。サルモネラ菌では，て鞘を持ったべん毛にならずに，スピロヘータのべん毛の

べん毛繊維は 1 種類のフラジェリンタンパク質（FliC）かようにペリプラズムにべん毛繊維が構築してしまうら成る。フラジェリンモノマーは，in vitro では自己重合(187)。ビブリオ菌極べん毛基部体とモーター部分の構造できるが，in vivo での重合には HAP2（FliD）とよばれるがクライオ電子顕微鏡で解析され，まだ，サブアトミック

キャップ構造が必要である (43)。フックの場合と同様に，レベルの解析までは到達していないが，近い将来，菌体そ

フラジェリンは HAP2 のキャップ構造の下に重合される。

のままで構造解析が行われることが期待される（図 7A）。

HAP2 の欠失変異株では，フラジェリンモノマーは重合でさらに，サルモネラ菌では遺伝子変異体から基部体を精製

きずに培地の中に放出される。HAP2 はフックのキャップ

してその構造形成が調べられたが，V. alginolyticus では経である FlgD とは異なり，べん毛の先端に構造として残る。

時的に直接クライオ電子顕微鏡で菌体にあるべん毛基部体

電子顕微鏡による先端 HAP2 の微細構造から，フラジェリを観察することで，べん毛基部体の中間体の観察に成功しンと相互作用しながら，HAP2 キャップが回転し，その先ている (188)（図 7B）。なおカウロバクター菌（Caulobacter

端にフラジェリンを重合させていく様子がモデル化されて

crescentus）では知られていたことだが，最近ビブリオ菌いる (182)。最近，HAP2 の結晶構造も決定され，原子構

のべん毛が培養条件によって，LP-リング構造を残して抜造から重合過程が考察されている (149)。

けることが報告されている (31，190)。

ビブリオ菌とサルモネラ菌でのべん毛基部構築で，大きな違いが見いだされている。サルモネラ菌の FliF は，先7．細菌べん毛モーター固定子にも述べたが，単独で大腸菌で大量発現するだけで MS-リ

初めに述べたように V. alginolyticus と V. parahaemolyticus

ングは構築される (173)。そして，クライオ電子顕微鏡での極べん毛は，Na+ 駆動力により回転することが知られての構造解析がサブアトミックレベルで成功している (53)。

いた。H+ 駆動型モーターの遺伝子は，既に大腸菌などでV. alginolyticus の FliF を大腸菌で大量発現しても，MS-リ

motA と motB がクローン化されていた (24)。当時，motA

ング構造を全く作らない (122)。べん毛形成でサルモネラ

あ る い は motB の 塩 基 配 列 の 相 同 性 か ら ハ イ ブ リ ダ イ

菌や大腸菌と大きく異なる点として，第 4 章でも述べたが，ゼーションなどによって Na+ 駆動型モーターの遺伝子のビブリオ属の極べん毛形成には，FlhF を要求する。FlhF

クローン化が世界で必死に行われていた。ところが，V.

がどのようにべん毛形成に関与しているのかは分かっていparahaemolyticus から motX と motY 名付けられた遺伝子ない。しかし，V. alginolyticus の FliF を FlhF とともに大量に変異が生じると，極べん毛の形成には影響しないが，発現すると，大腸菌中での MS-リング形成が格段に上昇す

回転はできなくなるという現象が確認された (100，101)。

る。この MS リング促進効果は，C-リングの構成タンパク

V. alginolyticus からも同様な遺伝子が，我々の研究室で質である FliG との共発現においても観察された。FliG がクローン化された (125，129)。MotX と MotY は，当初はFliF のリング形成に必要であるということが，サルモネラ

両タンパク質ともに 1 回膜貫通型タンパク質で，この 2 つ菌や大腸菌の FliF 研究からも明らかにされている (86，が H+ 駆動型モーター遺伝子と相同性はないが，Na+ 駆動

113)。しかし，この大腸菌中での MS-リング形成には，型モーター遺伝子であると信じられていた。しかし，我々

FliPQR と FlhAB からなる TypeIII 輸送体コアを必要としの研究室で海洋性ビブリオ菌 V. alginolyticus の運動能欠損

ないらしい。ただし，FliF が過剰発現した状態ではリング

株の運動を相補する遺伝子を同定すると，H+ 駆動型モー形成が起こるが，菌体における通常のべん毛形成時には，

タ ー 遺 伝 子 motA お よ び motB と 相 同 性 の あ る 遺 伝 子

FliPQR が核になって MS-リング形成するモデルも提案さ（pomA および pomB と命名）を得ることに成功した (3)。V.

れている (78)。これまでの得られている結果から，ビブ

parahaemolyticus からもすぐに，pomA と pomB に相同な遺リオ菌の極べん毛形成においては，FlhF がシグナル認識

伝子がクローン化された (51)。それぞれ 4 回膜貫通型，1粒子（SRP）である Ffh や SRP 受容体の FtsY と相同性が回膜貫通型の PomA，PomB に加え，MotX，MotY の 4 つ202

日本細菌学雑誌

75（ 3 ），2020

図 7．ビブリオ菌極べん毛のモーター構造（A）ビブリオ菌極べん毛のクライオ電子顕微鏡観察によるべん毛モーター構造を論文（186）から引用した。（i）野生型モーターの平均像。
第 1 パネルは中央部の断面，第 2 パネルは T- リングから見た断面，第 3 パネルは，細胞質膜（CM）の上部での断面，第 4 のパネルは，第 3 のパネルの 13 回対称性を適用した後の断面である。ビブリオべん毛モーターの全体構造を示す側面から見た像（ii）及び上から見た像（iii）を示す。（B）クライオ電子顕微鏡観察により経時的に構造形成を観察した結果を論文（188）より引用した。最初に P/L- リ
ングが形成され，次に MotX と MotY からなるビブリオ特異的な T- リングが形成され，FlgT，FlgP，FlgO が集合して H- リングが形成される。O- リング形成により，ロッドからフック形成するための準備が整ったことになる。3D トモグラムの代表的なスライス図（Stage_1
から Stage_5 まで）を作り，べん毛構造形成中の異なるステージのサブトモグラム平均構造の中央部を示す（1～5）。パネル 1～5 に示されている構造のモデル図（6～10）。

のモータータンパク質がビブリオ菌の Na+ 駆動型モーター(162)。共役イオンは PomA/PomB 複合体が形成するイオの回転に必要であることが明らかとなった。PomA は 2 番

ンチャネルを通り，細胞内に流入し，それと共役して目と 3 番目の膜貫通領域間に大きな細胞質ループ領域が存

PomA の細胞質ループ領域と回転子構成タンパク質の FliG

在し，このループ領域が回転子構成タンパク質 FliG と相との間に何らかの相互作用が起こり，回転力に変換される

互作用すると考えられている (159，184，185)。

と考えられている。PomB は N 末端に 1 回膜貫通領域を持MotA/B のオーソログである PomA/B 複合体は，ビブリ

ち，残りの大部分がペリプラズム空間に存在している。こオ菌などの Na+ 駆動型べん毛モーターのイオン透過と共のペリプラズム領域には，ペプチドグリカン結合モチーフ役したトルク発生ユニットである。膜タンパク質であるが存在し，PomA/PomB 複合体をペプチドグリカン層にア

PomA/B 複合体を，界面活性剤を用いて可溶化して精製す

ンカーしていると考えられている。また，少なくとも 10

ると，A4B2 のヘテロ六量体を形成していると推測された個以上の PomA/PomB 複合体が回転子の周りを取り囲むよ(147)。はじめは，このストイキオメトリーが信じられてうに存在し，回転子のタンパク質と相互作用してステップ

いたが，最近のクライオ電子顕微鏡による構造解析から状に回転していると考えられている (151)。

A5B2 の構造をとると改訂された (25，143)。PomA/PomB

エネルギー変換体である MotA/MotB または PomA/PomB

複合体をリポソームに再構成し，カリウムイオンにより拡複合体を構成する MotB と PomB のペリプラズム部分の構

散膜電位を形成させると，プロテオリポソーム内にナトリウムイオンを取り込むことから，PomA/PomB 複合体がナ造については，二量体として結晶構造解析に成功している(68，140，189)。膜貫通領域の α-helix からつながってい

トリウムイオン透過活性を持つことが示された (146)。たるだろうと思われる α-helix が OmpA 様構造をもつペプチ

だし，この in vitro 再構成系の追試実験が行われているが，その再現性は得られていない。しかしながら，大腸菌にドグリカン結合ドメインを挟むようにして二量体を作っている。そして，N 末端側の α-helix の先に細胞膜があるとPomA/PomB 複合体を発現させた生細胞を用いた実験によすると，この折りたたまれたペリプラズム部分がペプチド

り，ナトリウムイオンが透過することを実証している

グリカンに結合するには遠すぎると考えられた。実際に N
203

末端側の α-helix の構造が変化してペプチドグリカンと相

5：2 のストイキオメトリーであることも示されている (14，互作用出来るようになることが示されている（図 8A）(72，

15)。ただし，Exb 複合体については他のグループから 6：3

189)。固定子の膜貫通領域の構造は，分子動力学シミュというモデルも出されている (94)。ExbB/ExbD に TonB がレーションによって推測され，イオン透過のモデルが提案

結合して，H+ 駆動力を使って外膜での輸送を促進させるされている（図 8B）(116，131)。エネルギー変換体であ(121)。TonB の構造解析と蛍光偏光法による測定から，る PomA/PomB 複合体構造解析は世界中で試みられていた

TonB がプロペラの様に回転して輸送を促進するという機が成功していなかった。しかし，最近，クライオ電子顕微構が考えられている (16，54，56)。もし，TonB の回転モ鏡を用いて，全体構造ではないが，一番主要なイオン透過

デ ル が 正 し け れ ば，MotB あ る い は PomB が MotA や部位と細胞質領域の構造が決定され，A サブユニット 5 分

PomA の軸となって回転していることも十分に考えられ，子がリングになった構造に二量体の B サブユニットの膜

新しい回転モデルが提案されている (17，25，143)。

貫通領域が軸になるように構築されているモデルが提出さビブリオ菌の固定子イオン認識部位の特定のため，大腸れた (25，143)。MotA/MotB と相同性がある ExbB/ExbD

菌やロドバクター菌（Rhodobacter sphaeroides）の H+ 駆動

エネルギー変換体の構造が決定されており，その複合体は型べん毛モーターとビブリオ菌の Na+ 駆動型べん毛モー
ターのキメラ実験が行われている (2，4，36)。その結果
からは，イオン認識部位の特定はできなかった。しかし，大腸菌の MotB とビブリオ菌の PomB を膜貫通領域直後のプラグ領域で融合させた，ペリプラズム領域が大腸菌のMotB 由来になったキメラタンパク質（PotB）を PomA とともに大腸菌の motAB 欠損株に導入すると運動能が回復
し，Na+ 駆動型モーターとして働くことが明らかにされた(5)。これは，H+ 駆動型の回転子タンパク質と Na+ 駆動型の固定子タンパク質の間で相互作用できることを示しており，回転力発生機構のロバストネスを示している。分子系
統樹から真性細菌の起源に近いとされる超好熱菌 Aquifex
aeolicus の固定子 B サブユニットのペリプラズム領域を大腸菌の MotB 由来にすれば，Na+ 駆動型モーターとして働くことが分かり (161)，回転力発生機構のロバストネスの証明と，べん毛の起源が Na+ 駆動型であることが提案されている。イオン特異性については，グラム陽性菌のバシラス属の菌で研究が進んでいる。グラム陽性菌の枯草菌（Bacillus subtilis）は MotA/MotB と相同な固定子タンパク質をもち，H+ 駆動力によって運動する (97，111)。好ア
ルカリ性なバシラス属の菌の中には Na+ 駆動力を用いて運動するものがあることが知られていた (41)。その菌から MotP/MotS と名付けられた Na+ 駆動固定子タンパク質が同定され，枯草菌にも H+ 駆動型の MotA/MotB に加えて別個の固定子が存在することが明らかにされた (49)。
これを使ってサブユニットレベルでハイブリッドを作成して み る と，MotP/MotB は H+ 駆 動 型，MotA/MotS は Na+
駆動型となることが示され，B サブユニットがイオン特異性を決めていることが明らかにされた (50)。枯草菌の中

図 8．ビブリオ菌極べん毛固定子複合体の構造変換モデル（A）PomAB からなる固定子複合体のペリプラズム領域が，構造変換をして，ペプチドグリカンあるいは T- リングと相互できるように構造変換が起こる。
（B）べん毛モーター回転のメカノ ケミカル共役モデル。i）PomA の細胞質ループと C- リングのFliG-C 末端ドメインが相互作用することで，TM-3 および TM-4の細胞質側へのスライドを誘起する。ii）この動きで，PomA の膜貫通ヘリックス 3（TM-3）の T158 が，PomB の膜貫通ヘリックス（TM-B）の D24 に向かって近づき，
Na+ 結合部位を形成する。
+
iii）Na が細胞質側に放出された後，TM-3 および TM-4 は元の位置に戻る。このスライド運動が，細胞質ループの構造変化を引き起こし，FliG との界面でトルクを生成する。尾上らの論文（131）より引用した。
204

で，MotA/MoB の Na+ 駆動型モーターから，MotB の膜貫通領域のイオンの入り口に対応する部分のアミノ酸変異の導入によって，H+ 駆動型モーターに変更できることが明らかにされた (163)。V. alginolyticus の PomA/PomB で，枯草菌の変異を参考にして，変異を導入してみたが，イオン特異性の変化するものは得られていない。
ビブリオ菌の固定子タンパク質 PomA と PomB に GFPを融合したタンパク質が作成され局在を可視化すること
で，固定子複合体の極局在には，回転子構造を必要とする

日本細菌学雑誌

75（ 3 ），2020

ことが示されていた (35)。固定子が動的に解離と集合をしていることは推測されていたが，V. alginolyticus においては共役イオンであるナトリウムイオンの存在が，固定子
のべん毛モーターに集合に必要であることが示された(34)。そこで我々は，PomA と PomB が膜内で複合体を作り，この複合体がナトリウムイオンと結合することで回転子との相互作用が可能な構造に変化し，べん毛回転子の周りに集合して，モーターとして機能できるようになるというモデルを提案した。さらに，べん毛固定子がモーターの周りに固定されるためには，PomA と回転子タンパク質
FliG の相互作用が必要であることが，べん毛形成するがモーター機能を失った fliG の変異体を解析することで明らかになった (70)。V. alginolyticus の極べん毛で提案されているモーター構築のモデルを示す（図 9A）。
motX と motY については，なぜこの遺伝子に変異が入るとモーター機能が損なわれるかは疑問であった。この 2つのモータータンパク質の生化学的性質を調べると，膜タンパク質ではなく，シグナル配列をもった外膜に存在する分 泌 タ ン パ ク 質 で あ る こ と が 明 ら か に さ れ た (127)。
MotX と MotY との直接的な相互作用が示され，さらにMotX と PomB との相互作用が示唆された (126)。MotXと MotY の性質が明らかになる中で，精製したべん毛の基部体構造に，これら 2 つのタンパク質が含まれることが発見された (164)。さらに，電子顕微鏡観察によって極べん
毛基部体の LP-リングの下にリング構造が発見され（T リングと命名），T-リングが MotX と MotY から構成されていることが明らかにされた。T-リング構造に欠損があると，エネルギー変換ユニットである PomAB 複合体がべん毛
モーターの周りに集合できなくなることも示されて，モーター機能欠損の理由が判明した。MotY については結晶構
造解析が行われ，N 末（MotY-N）と C 末（MotY-C）の 2
つのドメインからなり，MotY-N は固定子の回転子周囲への集合に必要であり，MotY-C はペプチドグリカン層に結合することで，固定子 - 回転子間相互作用を安定化していると推測された (71)。ビブリオ菌極べん毛の基部体において，大腸菌やサルモネラ菌では見られない T-リングという構造がある他に，外膜に対応する LP-リングがやや大きいという特徴がある。基部体を精製してそこに含まれるタンパク質を分析すると，コレラ菌のべん毛形成と運動に関与する 38 kDa の flgT 遺伝子産物が含まれることが判明した (95，167)。さらに調べると，FlgT は LP-リングの外

図 9．ビブリオ菌固定子活性化モデルと固定子の固定化機構（A）PomA と PomB は固定子複合体を形成し，膜上を拡散する（i）。
この複合体が極べん毛の基部体に遭遇すると，PomA は C- リン
グを構成している FliG タンパク質の C 末端ドメインと相互作用
し（ii），この相互作用により固定子複合体に構造変化が引き起
こされ，Na+ が固定子に流入できるようになる。PomB の Asp24
領域に Na+ が結合することにより，大きな構造変化を PGB ドメ
インに引き起こし，固定子が固定される（iii）。次に，結合した
Na+ が Asp24 領域から離れ，細胞質にリリースされることでトルクが生成される（iv）。Na+ が解離した固定子複合体は，回転子から解離するが，Na+ 濃度が高い環境では，すぐに Na+ が再結合して，トルクを連続的に発生する。小嶋らの論文 (70) より引用
した。（B）ビブリオ菌特異的リング構造と固定子の固定化。（i）
ビブリオ菌極べん毛モーターの細胞膜上部のサブトモグラム平均
構造の 2D スライス像。H- リング構成タンパク質の FlgO，FlgP，および FlgT が白抜きの文字で標識されている。黒い矢印は，Tリングの下の特徴的な密度を示している。（ii）pomAB 欠損菌の
極べん毛モーターの細胞膜上部のサブトモグラム平均構造の 2Dスライス像。白い矢印で示される領域は，（i）で見られた T- リ
ングの下部の密度の損失を示している。（iii）PomB ペリプラズム部分の結晶構造を，T- リングの下部の密度に紫色でクライオ ET
密度に適合させた。（iv）拡大図は，PG 結合部位を介して直接相互作用するダイマーの PomB ペリプラズム領域と，T- リングの下部にある MotX を適合させている。
（v, vi）クライオ ET 密度マップ（メッシュ）と，FlgT，MotY，MotX および PomB の原子モデ
ルのリボン構造を重ね合わせ表示した。Zhu らの論文（188）より引用した。

側に，H-リングと名付けた構造を作るために必要である
こと，FlgT と MotY が直接的な相互作用があり，H-リン(188)（図 9B）。面白いことに，B サブユニットのペリプ

グがないと T-リングが形成されないことも明らかとなっラズム領域を大腸菌の MotB 由来にしたキメラタンパク質

た。FlgT の結晶構造解析に成功し，FlgT が N，M，C とPotB では，T-リングが欠損しても，固定子として機能す呼ばれる 3 つのドメイン構造をとっており，M ドメインることが示されている (118)。

は MotY と，NM のドメインで他の H-リング構成タンパク質と相互作用していることが示された (169)。クライオ電

8．細菌べん毛モーター回転子子顕微鏡を用いた構造解析から，PomB のペリプラズム領

回転子中の C-リングは，MS-リング側から FliG, FliM,

域と T-リング構造の相互作用モデルが提案されている

FliN がそれぞれ 34，34，102 分子でリングを構築すると205

考えられている (13)。先にも述べたように C-リングは，

alginolyticus の FliG 変異も同様な結果が生じていることか

固定子と相互作用して回転力発生に関わるだけでなく，回ら同じような構造変化が起こっていると推測されている。

転方向の制御にも重要である。回転方向制御が異常になる

我々は核磁気共鳴法やクライオ電子顕微鏡を用いて，回転変異株の取得を目的として，ランダム変異導入で得られた

方向制御メカニズムの解明に着手しているが（図 10）(13，

V. alginolyticus を解析すると，方向制御が異常になる変異117)，回転方向切り替えの際に生じる具体的な FliG の構の多くが fliG, fliM に生じていた。FliG は，N 末端側から造変化と，時計回りと反時計回りでトルクを生み出す分子

N-terminal（FliGN），Middle（FliGM），C-terminal（FliGC）

機構はわかっていない。

の 3 つのドメインに分けられ，構造解析が行われ，好熱菌

CheY が C-リングの内側か外側のどちらかに結合するかの Thermotoga maritima 由来の FliGC と FliGM の結晶構造は議論がなされていた。米国 Yale 大学 Liu 博士との共同が報告されている (11，89)。また，超好熱菌 Aquifex aeolicus

研究で，回転方向が時計回りに固定される V. alginolyticus

では全長 FliG の構造が解かれている (84)。残念ながら，の変異体をクライオ電顕で観察すると FliM の外側に CheY

部分構造を含め，ビブリオ菌と大腸菌・サルモネラ菌のの密度がうっすらと見えていた (13)。そして，Liu らのグ

FliG の構造は解けていない。それぞれのドメインには，
β-catenin 等に見られるタンパク質間相互作用に重要なループがペリプラズムにべん毛をもつボレリア菌（Borrelia

Armadillo repeat motif（ARM）が存在する (46)。ARM はいることを見出した (17)。しかしながら，C-リング中のイソロイシン，ロイシン，バリンなどの疎水性側鎖が，α-helix 上で同一の向きを向いている繰り返し配列である。

FliM に対して，CheY は忌避シグナルによってリン酸化を

V. alginolyticus の FliG は 351 ア ミ ノ 酸 か ら な る 分 子 量れた CheY（CheY-P）がどれだけ結合すると回転方向が時38.6 kDa のタンパク質であり，FliGN，FliGM，FliGC には

計回りになるのかはわかっていない。FliG の ARM がリンそれぞれ 20–127，133–202，235–343 番目のアミノ酸が含グ中の隣の FliG 分子の構造変化に影響を与えることから，

burgdorferi）で CheY がリングの外側から FliM に結合してうけて C-リングに結合できるようになるが，リン酸化さまれる。FliF の C 末端アミノ酸残基と FliG と相互作用が直接的に検出されている (122)。FliGC は固定子の細胞質領域と相互作用することでモーターの回転力の発生に関与する。この相互作用には，荷電残基の寄与が重要であることが遺伝学的にわかっており，少なくとも V. alginolyticusの FliG-K284，D301，D308，D309 残基が PomA と相互作用することが示唆されている (159)。FliGM には，大腸菌に お い て FliM と 相 互 作 用 す る こ と が 示 さ れ て い る
EHPQR-motif（E144，H145，P146，Q147，R179 残基）と呼ばれる保存性の非常に高い領域が存在する。
FliM は FliG 及び FliN と相互作用するだけでなく，走化性因子である CheY と相互作用する (85，105)。CheY は
FliN とも相互作用する (145)。FliM, FliN が CheY と相互作用することで，べん毛の回転方向が制御される (177)。
CheY を介した FliM の構造変化は，FliG に伝わり，FliGと PomA の相互作用界面を変化させることで回転方向を変化させると考えられている。具体的には FliM の構造変化
が FliGM，FliGC に存在する ARMM 及び，ARMC の FliG 分
子内 / 分子間相互作用を変化させることで FliG の構造変化を引き起こす (9，63，107)。時計回りでは，ARMM と
ARMC が分子内で相互作用することにより FliG がコンパクトな構造を取り，反時計回りでは，ARMM と ARMC がリング上で隣り合う FliG と分子間相互作用することにより，FliG が伸びた構造を取ると考えられている。この分
子内 / 分子間相互作用は FliGM に存在する helixMC と呼ばれる α-helix の構造変化によって制御され，時計回りの状
態では helixMC がほどけると考えられている。回転方向に異常がみられる FliG 変異が大腸菌やサルモネラ菌で解析さ れ て お り， そ れ ら の 変 異 は，EHPQR-motif, helixMC，FliGM と FliGC をつなぐリンカー，ARMC，に存在する。V.
206

図 10．反時計回転（CCW）および時計回転（CW）の C リングのモデル
CCW モーター（A）および CW モーター（B）のクライオ電子顕
微鏡トモグラフィーで得られたべん毛モーター C- リング部分の3D サーフェスレンダリング。MS リングと細胞質膜（CM）はピ
ンク色，C- リングは青色，TypeIII 輸送装置はオレンジ色で示した。（C）クライオ電子顕微鏡で得られた CCW の C- リング構造
密度（灰色）に，FliG, FliM, FliN からなる C- リングの 1 つのユ
ニットをあてはめた。ユニットを 2 つの異なる方向から見た図を示した。FliG は青，FliM は水色，FliN は緑で示す。（D）クライ
オ電子顕微鏡で得られた CW の C- リング構造密度（灰色）に，
FliG, FliM, FliN からなる C- リングの 1 つのユニットをあてはめた。ユニットを 2 つの異なる方向から見た図を示した。FliG は紫，FliM は水色，FliN は緑でしめす。（E）C- リングのユニットを 34
回転対称にあてはめて CCW 構造（E）と CW 構造（F）をモデル化した。Carroll らの論文（13）より引用した。

日本細菌学雑誌

75（ 3 ），2020

CheY の結合は FliM に対してアロステリックに働き，そ回転が優位になる。反時計回りと時計回りを組み合わせる

れに応答した FliG の構造変化がリング全体に広がることことにより，細胞は自身の生存に有利な環境にとどまるこ

で，すべての FliM に CheY-P が結合していなくても C-リとができる。この基本的な走化性のシステムは細菌に共通

ング全体が大きく構造変化すると予想している。

である。

9．べん毛モーターの走化性応答

興味深いことにビブリオ菌では，側べん毛は，忌避シグナルによる CheY-P の増加によってモーターが止まり，極先にも述べたように回転方向の制御は，走化性シグナル

べん毛は，忌避シグナルにより時計回りでタンブルするの（Che）が C-リングに伝わることによって行われる。走化ではなく，時計回りと反時計回りの切り替えが増加し，そ性は，細胞がべん毛を回転させて移動することにより変化の場を行ったり来たりする遊泳を示す (45，66)。極べん

した細胞周囲の環境変化を，走化性受容体が認識しべん毛

毛では，べん毛を先にして泳ぐとべん毛同士がからまってモーターの回転方向を変化させるシグナル応答である

しまうことになる。この極べん毛の回転方向切り替え頻度(98，175)（図 11）。大腸菌では，細胞膜上の Tsr あるいが増加した変異が，FliG に E144D として見つかっている

は Tar，ビブリオ菌では Mlp24 あるいは Mlp37 などと呼ば(117)。この残基は C-リング構造において FliM との境界

れ る 走 化 性 受 容 体（MCPs: methyl-accepting chemotaxis

面にある。大腸菌の CheY-P に比べてビブリオ菌の CheY-P

proteins）に，糖やアミノ酸などの誘引物質や Phenol や一が FliM から速く解離することにより，大腸菌と異なる応部のアミノ酸等の忌避物質が結合することでシグナル伝達

答を行なっているのではないかと考えられている。もう一が開始される。発生したシグナルは，Che 因子のリン酸化 /点ビブリオ菌での走化性において大腸菌とは異なる特徴と脱リン酸化を介したリン酸基の転移を介して，C-リングのして，走化性受容体様蛋白質が多いことが挙げられる。V.

構造を変化させる。具体的には，CheW, CheA, CheY の順

cholerae では 40 個以上の走化性レセプター様遺伝子（MLP）にリン酸基が伝達され，リン酸化を受けた CheY（CheY-P）

を持っていると推定されている (12，39)。V. cholerae の 3が FliM に結合することで回転方向を反時計回りから時計

セットの che 遺伝子クラスターのうち，他の Vibrio の che

回 り に 切 り 替 え る。 同 じ く Che 因 子 で あ る CheZ は遺伝子との相同性が高いのはクラスター II の遺伝子であCheY-P の 脱 リ ン 酸 化 を 促 進 す る 働 き が あ り，CheY がる。3 つ の che 遺 伝 子 ク ラ ス タ ー の 走 化 性 へ の 関 与 は，FliM から外れると回転方向が反時計回りに戻る。つまり，cheA の機能解析によって調べられた (37)。そこで，走化

細胞質中の CheY と CheY-P の濃度の比が，回転方向を決性シグナル伝達系の出力を担う CheY に着目して解析した

めるのに重要で，細胞周囲に誘引物質が多いとまっすぐ泳ところ，べん毛の逆回転を引き起こしたのは，クラスター

ぐ反時計方向に回転するが，忌避物質が多いと回転方向を

II の CheY3 のみであった (47)。やはり走化性に関与する

切り替えて（大腸菌ではタンブルとも呼ばれる）時計回りのはクラスター II だけであり，クラスター I と III は走化
性以外の生理機能への関与が予想されている。一方，V.
alginolyticus や V. parahaemolyticus は，極べん毛と側べん毛という 2 種類のべん毛をもつが，2 つのべん毛系において，走化性は移動に必要である (144)。二つのべん毛が一つの
che 遺伝子群によって制御されていることが示されている(66)。また，クラスター I のシステムは，細胞エネルギー状態の低下に応答して，細胞の状態をコントロールするために使われるのではないかと推測されている (40)。ビブ
リオ菌では，大腸菌よりも多くの走化性レセプターをもっているが，構造も大腸菌の Tsr や Tar とは少し異なることが分かっている。大腸菌では 4HB（four-helix bundle）ド

図 11．細菌の走化性シグナル伝達経路
大腸菌の走化性シグナル伝達経路を示す。細胞膜状上の走化性
レセプターが忌避物質（repellent）を認識すると，CheA の自己リン酸化が促進され，リン酸基が CheY に転移される。リン酸化型 CheY はべん毛モーターのスイッチに結合し，べん毛の回転方
向を時計方向（CW）に逆転させる。その結果，菌はタンブルし，遊泳方向を変える。CheY は自己脱リン酸化あるいは CheZ によって脱リン酸化されモーターから解離する。一方，誘引物質を認識すると，CheA の自己リン酸化は抑制され，結果的に菌は滑らかな遊泳を続ける。レセプターは，CheR によってメチル化，CheBによって脱メチル化される。メチル化されたレセプターは誘引物質を認識しにくくなり CheA 活性の抑制が低下し，結果的にタンブルする確率が上昇する。ダイマーのレセプターがさらに 3 つ集
まって，集合体となりそこに CheW と CheA が結合した状態でシグナル伝達する。

メインと呼ばれる細胞外領域をもつレセプターを持つのに対して，ビブリオ菌では Cache（動物の voltage-gated Ca2+
channel と細菌の chemoreceptor からとった名前）ドメイ
ンと呼ばれる細胞外タンパク質領域をもつレセプターを持っている (96，132，
174)。V. cholerae の走化性様レセプターの Mlp7，Mlp8，Mlp24 と Mlp30 が病原性に関わっていることが示されている (18，119)。Mlp24 に相同性をもつタウ
リンとセリンに走化性応答を引き起こす主要な V. choleraeのレセプターである Mlp37 の細胞外領域の構造が決定されている (120，157)。Mlp24 の細胞外領域の構造も決定され，Ca2+ によってリガンドの親和性が大きく変化する
207

ことも示されている (158)。ビブリオ菌が多くの走化性様レセプターをもつことは，多様な環境に対応するためだと

7)考えられている。それらレセプターが生存にどのように必要であるかについては，今後の研究を待つ必要がある。

8)

おわりに

9)

我々は V. alginolyticus の極べん毛の研究を長年やってきた。ヒトに病原性を示す腸炎ビブリオ菌 V. parahaemolyticusとは，同じ菌であると言っても過言ではなく，べん毛に関しては，そのまま腸炎ビブリオ菌にあてはめて議論できる。
また，極べん毛に関しては，V. cholerae のべん毛とほぼ同10)じである。機能的な観点からでは，大腸菌のべん毛の固定
子をビブリオのナトリウム型の固定子と入れ替えても，大11)

腸菌でも機能する。さらには，超高熱菌 Aquifex の固定子タンパク質を入れ替えても機能することが示されている。

12)

これは，種間において機能的に重要な構造は保持される良い例ではないだろうか。本総説の筆者の一人である本間は，今年度で大学を退職する。細菌のべん毛モーター研究のさ13)らなる発展を祈りたい。
謝

辞

14)

名古屋大学理学部分子生物学科の分子第 4 講座から，今は，大学院理学研究科生命理学専攻生体膜機能グループと名前は変わったが，多くの共同研究者や学生がべん毛研究15)に携わってくれた。この総説にも引用した多くの成果を支えてくれた。そして，名古屋大学の素晴らしい研究環境と共同研究者に感謝したい。また，細菌の電子顕微鏡写真は，

16)

名古屋大学技術職員の牧貴美香博士に撮っていただいた。
本稿内容について，開示すべき COI 関係にある企業な

17)

どはありません。
文
1)

2)

3)

4)

5)

6)

献

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213

Flagellar related genes and functions in Vibrio
Tatsuro NISHIKINO1, Seiji KOJIMA2, and Michio HOMMA2
1

Institute for Protein Research, Osaka University
Division of Biological Science, Graduate School of Science, Nagoya University

2

Bacteria can move or swim by flagella. On the other hand, the motile ability is not necessary to live at all. In laboratory,
the flagella-deficient strains can grow just like the wild-type strains. The flagellum is assembled from more than 20
structural proteins and there are more than 50 genes including the structural genes to regulate or support the flagellar
formation. The cost to construct the flagellum is so expensive. The fact that it evolved as a motor organ means even atsuch the large cost shows that the flagellum is essential for survival in natural condition. In this review, we would like tofocus on the flagella-related researches conducted by the authors and the flagellar research on Vibrio spp.

214