Jpn. J. Protozool. Vol. 44, No. 2. (2011)

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Review

ヌクレオモルフの reductive genome evolution
谷藤 吾朗

Reductive genome evolution in nucleomorphs
Goro TANIFUJI
Canadian Institute for Advanced Research, Department of Biochemistry and Molecular
Biology, Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia, B3H 4R2, Canada
Key words: Endosymbiosis, Cryptomonads, Chlorarachniophytes, Plastid

はじめに
細胞内共生は 2 つ以上の独立した生物の一方（共生者）が，もう一方（宿主）の細胞に取り込まれ一体となって生活する生物現象であり，時に新たな機能を獲得した生物を誕生させる．全ての真核生物は細胞内共生に由来するミトコンドリア（あるいはそれに由来するオルガネラ）を持ち，また光合成真核生物のもつプラスチド（葉緑体）も細胞内共生を通して成立したことから，細胞内共生は進化の大きな原動力の一つであると据えることが出来る（Gray etal., 1999; Dolezal et al., 2006; Reyes-Prieto et al., 2007;
Gould et al., 2008）．2 つの生物が 1 つの生物として成立するためには，様々な遺伝的統合が必要であると考えられるが，その結果の一つとして，共生者側のゲノムの大規模な減少（本稿では reductive genome
evolution と呼ぶ）が挙げられる（Martin and Herrmann,
1998; Martin et al., 2002; Keeling et al., 2005; Nakabachi
et al., 2006; Archibald and Lane, 2009; McCutcheon et al.,Tel: +1-902-494-6193/Fax: +1-902-494-1355
E-mail: gorot@dal.ca
Received: 26 April 2011; Accepted: 22 July 2011.

2009; Moran et al., 2009）．これは共生者ゲノムから宿主ゲノムへの遺伝子移動（endosymbiotic gene transfer :EGT）と，オルガネラ化によって必要なくなった共生者側の遺伝子の欠失が主な理由と考えられている（Martin and Herrmann, 1998; Martin et al., 2002; Martin,
2003）（図 1a）．また，核にコードされた共生者由来のタンパク質は共生者細胞区画で働くと考えられているが（van Dooren et al., 2001; Bock and Timmis, 2008），
近年では核にコードされる多くの plastid-targeting 遺伝子群の起源が，プラスチドの起源そのものと異なる事例が報告されており（Archibald et al., 2003; Moustafa
et al., 2009; Wisecaver and Hackett, 2010, 2011），細胞内共生に際した遺伝的統合がどのように行われてきたのか未だ理解は不十分である．このような reductive
genome evolution は，光合成機能の獲得に代表されるような細胞内共生に限って見られる現象ではなく，2種の生物がある一定以上の特殊性を持った関係に発展した場合しばしば見られる．例えば昆虫の腸内共生細菌であるブフネラでは自由生活性の近縁種に比べて著しいゲノム減少が起こっているし（Moran et al.,2008; McCutcheon et al., 2009），また寄生関係においても，哺 乳 類 に 対 し 重 篤 な 影 響 を も た ら す 真 菌 類
mycoplasma や微胞子虫などでも非常に小さなゲノム

90

ヌクレオモルフゲノムの進化

図 1 クリプト藻類とクロララクニオン藻類．(a) 細胞内共生におけるゲノム再編の様子を表す模式図．細胞のモデル
はクリプト藻類．(b) クリプト藻類， Cryptomonas sp. の光学顕微鏡像．スケールバー = 10 μm．(c) クロララクニオン
藻類, Amorphochlora amoebiformis の光学顕微鏡像（大田修平博士提供）．スケールバー = 10 μm．(d) クリプト藻類，
Guillardia thea の電子顕微鏡像（Eunsoo Kim 博士提供）．EGT: endosymbiotic gene transfer ，Nu: 核，Nm: ヌクレオモル
フ，Pl: プラスチド，PPC: ペリプラスチダルコンパートメント（periplastidal compartment）．

を持っていることが知られている（Katinka et al., 2001;
Keeling and Fast, 2002; Sasaki et al., 2002; Keeling et al.,2005）．細胞内共生だけでなく寄生関係の成立も生物
界 全 体 で 独 立 に 何 度 も 起 こ っ て い る こ と か ら，reductive genome evolution に関する研究は，生物学的興味はもちろん，社会的にも大きく貢献することが期待される．
本稿では reductive genome evolution について，ヌク
レオモルフに焦点を当てて紹介したい．ヌクレオモル
フは二次共生者の痕跡的核であり，これまでにクリプ
ト藻類とクロララクニオン藻類でのみ見つかっている（Archibald, 2007; Cavalier-Smith, 2002; Moore andArchibald, 2009）（図 1b-d）．クリプト藻類は二本鞭毛を持った単細胞性藻類で，淡水・汽水・海水域に広く生息しており，海や池の水を観察するとたいてい見つけることができる（図 1b）．クロララクニオン藻類は，アメーバ状，球状，あるいは一本鞭毛を持った単細胞性藻類で，現在，海産種のみが知られている（図 1c）．
クロララクニオン藻類は，ケルコゾア（アメーバ鞭毛虫）と呼ばれる原生生物のグループに属している．他の二次共生生物では共生者核を完全に消失しているにもかかわらず，ヌクレオモルフには共生者由来のゲノムが未だに保持されており，両系統群は核，ヌクレ
オモルフ，葉緑体，ミトコンドリアの 4 つのゲノムを一つの細胞の中に有している．プラスチドやミトコン

ド リ ア と 同 様 に，ヌ ク レ オ モ ル フ に も 大 規 模 な
reductive genome evolution が起こっていることが知られており，ヌクレオモルフの多様性を理解することは2 つの生物が遺伝的に統合する上でどのような出来事があったのか，特に真核―真核生物の細胞内共生において共生者ゲノムがどのように減少したのかという問題に対し，重要な知見をもたらすことが予想される．
ヌクレオモルフはその進化学上の特異性から，ゲノムに焦点を当てた研究が藻類学の中では比較的蓄積しており，これまでにクリプト藻類で 3 種，クロララ
クニオン藻類 1 種でヌクレオモルフゲノムの完全解読が報告されている．近年，著者らによって，ヌクレ
オモルフを有しているのにも関わらず光合成能力を持たない Cryptomonas paramecium のヌクレオモルフ
ゲノムとプラスチドゲノムの完全解読が行われ，reductive genome evolution に関する知見として一定の成果を上げた．本稿では特にヌクレオモルフの比較ゲ
ノム学に焦点を当てながら，reductive genome evolutionがどのように起こったのか，最新の知見をあわせて紹介したい．
細胞内共生とヌクレオモルフ
細胞内共生説が多くの研究者に受け入れられるのJpn. J. Protozool. Vol. 44, No. 2. (2011)に，ヌクレオモルフは重要な役目を果たしたと言ってよいだろう．Lin Margulis によって細胞内共生説が提唱されたのは 1970 年のことである．70 年代には電子顕微鏡法の技術により様々な生物の微細構造が精力的に研究され，光合成真核生物ではプラスチドが 2重膜に囲まれたグループ（緑藻類，紅藻類，灰色藻類）と 3 重，4 重で囲まれたグループ（ユーグレナ藻類，
渦鞭毛藻類，クリプト藻類，他の Chromophyte （現在のクロミスタの多くを含む藻類））が認識されていた（e.g. Gibbs, 1978; Whatley and Whatley, 1981）．さらに，
クロロフィルや他の光合成色素等の生化学的研究の成果など，細胞内共生説を支持する証拠が集められていった（e.g. Gray and Doolittle, 1982）．現在では 2 重膜を持つグループは光合成原核生物が無色真核生物に取り込まれ起こった一次共生生物，3，4 重膜を持つグループがそれによって生じた一次共生生物がさらに他の真核生物に取り込まれた二次（多次）共生生物であることがほぼ受け入れられている（e.g. ReyesPrieto et al., 2007; Gould et al., 2008）．ヌクレオモルフ
が初めてクリプト藻から発見されたのは，細胞内共生説 が 完 全 に 受 け 入 れ ら れ る 前 の 1974 年 だ っ た（Greenwood, 1974）．このオルガネラは核と同じように 2 重の膜に囲まれ，また核小体のような構造を有していたために nucleo（核）-morph （の様な形）として名付けられた．注目すべき点は，ヌクレオモルフがプラスチドの 2 枚目と 3 枚目の膜の間，すなわち二次共生者由来の細胞質区画（periplastidal compartment :PPC）と一致する位置に存在していたことであった（図 1a, d）．さらに Ludwig and Gibbs (1985) によりヌクレオモルフには DNA が含まれていることが示され，ヌクレオモルフは二次共生者の痕跡的核であると示された．
1984 年にはクロララクニオン藻類からもヌクレオモルフが発見され（Hibberd and Norris, 1984），さらにヌクレオモルフとプラスチドのゲノムにコードされる遺伝子による系統解析から，クリプト藻類は紅藻
類，クロララクニオン藻類は緑藻類を共生者の起源とす る こ と が 明 ら か に さ れた（Douglas et al., 1990;
McFadden et al., 1995; Cavalier-Smith et al., 1996; Ishida
et al., 1997; Douglas and Penny, 1999; Ishida et al., 1999）．
また，近年では真核生物は少なくとも 6 つのスー
パーグループに分けられることが示されているが，クリプト藻類の宿主はクロムアルベオラータ，クロララ
クニオン藻類の宿主はリザリアに属している（Burkiet al., 2009; Hampl et al., 2009）．すなわち，両系統群は宿主も共生者も全く異なる系統の生物を起源として
おり，細胞内共生が独立した系統で複数回起こったことを強力に証明する生物である．他の二次共生生物は二次共生者核を完全に消失しているため，クリプト藻

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類 と ク ロ ラ ラ ク ニ オ ン 藻 類 は reductive genome
evolution の中間的な形質を未だ残している生物群と想定された．
ゲノム構造からみるヌクレオモルフの収斂進化
ヌクレオモルフの核型はパルスフィールド電気泳動法によるヌクレオモルフゲノムの分離と，リボソー
マル DNA などをプローブとしたサザンハイブリダイ
ゼーション法により比較的良く研究されてきた．クリ
プト藻類では約 50 種，クロララクニオン藻類では約20 種のヌクレオモルフの核型解析が行われており，既に調べられた株では 100-400 kbp 程度の直鎖状染色
体 を 常 に 3 本 含 ん で いる（Eschbach et al., 1991;
Rensing et al., 1994; Lane et al., 2006; Lane and Archibald,
2006; Silver et al., 2007; Phipps et al., 2008; Tanifuji et al.,2010; Ishida et al., 2011a）．また，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，染色体ごとに向きや構成の違いはあるものの，染色体末端のテロメア配列の内側（sub-telomeric region）にリボソー
マル DNA を持つという特徴を共有している（Laneand Archibald, 2006; Lane and Archibald, 2008; Silver etal., 2010）．全く系統が異なるにも関わらず，3 本の染色体と sub-telomeric リボソーマル DNA という特徴を共有することは，両者の reductive genome evolutionの過程で共通の選択圧が働いたことによる収斂進化の結果と示唆される．Cavalier-Smith は，このような染色体の構造は物理的に退化したヌクレオモルフの構造にあわせて進化した結果ではないかと指摘している（Cavalier-Smith, 2002）．また，微胞子虫に属する寄生虫 Encephalitozoon cuniculi はわずか 2.9 Mbp のゲノムサイズを持つ真核生物であるが，ヌクレオモルフと同様に sub-telomeric リボソーマル DNA オペロンを染色体上に持っているため，reductive genome evolutionと染色体末端のリボソーマル DNA は何らかの関係があるのではないかと推察される（Katinka et al.,2001）．しかしながら，reductive genome evolution とこ
れらのゲノム構造との関係に関しての研究は今のところない．
ヌクレオモルフゲノムサイズはこれまでに知られている真核型ゲノムとしては最も小さく，クリプト藻類では 0.45-0.87 Mbp，クロララクニオン藻類では0.33-1 Mbp とゲノムサイズも比較的似ている（Silver etal., 2007; Tanifuji et al., 2010; Ishida et al., 2011a）．自由生活性の真核生物は比較的ゲノムサイズが小さいものでも紅藻類 Cyanidiales で 10-16 Mbp（Moreira et al.,
1994; Muravenko et al., 2001; Matsuzaki et al., 2004），緑藻類 Micromonas では約 20 Mbp（Worden et al., 2009），
Ostreococcus では 12.6 Mbp であるので（Derelle et al.,

92

ヌクレオモルフゲノムの進化

2006），ヌクレオモルフは起源種に近縁な生物に比べて，少なくとも 10% 以下までゲノムサイズが縮小しているといえる．図 2 に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サイズと系統関係を示した．図で示されたように，両者のヌクレオモルフ
ゲノムサイズはそれぞれの主要クレードの中である
程 度 多 様 性 が あ る が，例 え ば ク リ プ ト 藻 類 のRhodomons ク レ ー ド の 650-845 kbp, Hemiselmis +Chroomonas クレードの 560-815 kbp のように，クレード間のヌクレオモルフゲノムサイズがオーバーラッ
プしている．このことは，少なくともそれぞれのクリプト藻類がそれぞれの系統に分岐した後にもヌクレ
オモルフのゲノムサイズが変化したということを示唆している．さらに，Cryptomonas 属では 18S rDNA 配列の比較では遺伝的距離が非常に近いのにも関わらず，最大で 40% ものヌクレオモルフゲノムサイズの差が観察されていることから，ヌクレオモルフのゲノ
ムサイズの変化（おそらくゲノム縮小）がごく最近でも起こっている可能性が示唆されている（Tanifuji etal., 2010）．
こ れ ま で に ク リ プ ト 藻 類 で は Guillardia theta（Douglas et al., 2001），Hemiselmis andersenii（Laneet al., 2007），Cryptomonas paramecium（Tanifuji etal., 2011）の 3 種，クロララクニオン藻類では Bigelowiella natans （Gilson et al., 2006），計 4 種のヌク
レオモルフゲノムが完全解読されている．それぞれのヌクレオモルフゲノムの概要を表1 に示した．ヌクレオモルフゲノムの G + C 含有量は 25-35% 程度であり，非常に AT-rich なゲノムである．この特徴
はプラスチドやミトコンドリア，昆虫の腸内細菌など多くの reductive genome にも見られる特徴である（Moran, 1996; Nakabachi et al., 2006; Smith, 2009）．
遺伝子間領域は平均で 95-130 bp 程度，遺伝子密度は 0.93-1.10 kbp/gene と，ゲノムに対し遺伝子が密に詰め込まれたような，非常にコンパクトなゲノム構造である．Lane et al.（2007）は H. andersenii と G.
theta のヌクレオモルフゲノムの比較から，ヌクレオ
モルフにコードされるタンパク質の平均長，遺伝子間領域が，自由生活性の紅藻類などのゲノムに比べて有意に短く，また，よりヌクレオモルフゲノムサ
イズの大きい H. andersenii に含まれるタンパク質の平均長，遺伝子間領域の長さが G. theta に比べて長い こ と を 示 し た．こ の こ と は，reductive genome
evolution の過程で，単純な遺伝子欠失，EGT 以外にも遺伝子間領域，タンパク質のそれほど重要でない
領域が高度にそぎ落とされたような構造になったことを示唆する．
一方で，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の構造的な大きな違いとして

図 2 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 サ イ ズ と 系 統 関 係 の 比 較．Moore andArchibald (2009) に Ota et al. (2007), Ishida et al. (2011a, b),
Tanifuji et al. (2010) を加え改変．

あげられるのは，第一にイントロンの数，第二にテ
ロメア配列の多様性である．クリプト藻類のヌクレオモルフでは，G. theta で 17 個，C. paramecium で 2個，H. andersenii ではイントロンが全く見つかっておらず，また，それを反映するようにクリプト藻類のヌクレオモルフゲノムにはスプライシングに関わる遺伝子がわずか（15 個程度）しかない（Douglas etal., 2001; Lane et al., 2007; Tanifuji et al., 2011）．ところがクロララクニオン藻類 B. natans では 18-21 bpの短いイントロンが 852 個も存在しており，また，
スプライシング関連遺伝子は 41 個コードされていた（Gilson et al., 2006）．このコードされるイントロンの数が，異なった進化の過程の結果を示すのか，
それともそれぞれの祖先種から引き継いだ特徴なのかは今のところ分かっていない．しかしながら，B.
natans の 18-21 bp というイントロンの長さは一般の
自由生活性生物のイントロンと比べ短く，reductive
genome evolution の結果，イントロンが短くなったのかもしれない．また，クロララクニオン藻類では種ごとのヌクレオモルフテロメア配列が保存されているのに，クリプト藻類では種ごとにテロメア配列が異なるという違いも観察される（Douglas et al., 2001;
Gilson et al., 2006; Lane et al., 2007; Silver et al.; 2007;
Silver et al., 2010; Ishida et al., 2011a; Tanifuji et al.,2011）．ヌクレオモルフやプラスチドにコードされる遺伝子を用いた系統解析から，クリプト藻類，ク
ロララクニオン藻類の二次共生はそれぞれの系統でJpn. J. Protozool. Vol. 44, No. 2. (2011)93

表1 ヌクレオモルフゲノムの概要
種名

ゲノムサイズ（kbp）
G + C 含有量（%）
遺伝子数（タンパク質遺伝子/合計）
タンパク遺伝子のアミノ酸平均長
遺伝子間領域平均長（bp)遺伝子密度（kbp/gene）
重複遺伝子数
イントロン数葉緑体関連遺伝子数
テロメア配列Guillardia
theta

Hemiselmis
andersenii

Cryptomonas
paramecium

Bigelowiellanatans

合計 550.5
染色体1 195.9
染色体2 180.6
染色体3 173.9
26.43

合計 571.4
染色体1 207.3
染色体2 184.6
染色体3 179.4
25.18

合計 485.9
染色体1 177.0
染色体2 159.7
染色体3 149.1
26.05

合計 372.9
染色体1 140.6
染色体2 134.1
染色体3 98.1<35

487/548472/525

466/519293/340

311.66
94.89
1.00
44
17
30
(AG)7AAG6A

338.41132.14
1.09
11
0
31
GA17

289.39103.49
0.93
33
2
18
GA9

321.90113
1.10
numerous
852
17
TCTAGGG

データは Douglas et al. (2001), Gilson et al. (2006), Lane et al. (2007) and Tanifuji et al. (2011) より引用．公表後の解析により数値は引用元と異なる場合がある．

一回であると考えられるので，祖先種はそれぞれ 1
種類のテロメア配列を持っていたはずである（McFadden et al., 1995; Ishida et al., 1997; Douglas and
Penny 1999; Ishida et al., 1999; Khan et al., 2007; Rogers
et al., 2007; Donaher et al., 2009）．よって，クリプト
藻類のヌクレオモルフがそれぞれ異なるテロメア配列を持つようになったのは細胞内共生の後であり，
進化の過程で異なるテロメア配列を獲得したものと思われる．動物や植物など比較的広い系統でもある
程度テロメア配列は保存されているので（Podlevsky
et al., 2008），種によってテロメア配列が異なるのはクリプト藻類のヌクレオモルフ独自の特色かもしれない．
ヌクレオモルフとプラスチド関連遺伝子
ヌクレオモルフのゲノム解読が完了する以前，多くの研究者はヌクレオモルフ機能がプラスチド及び光合成機能に大きく関わっているのではないかと考えていたようである．なぜなら，宿主側が二次共生によって獲得した主要な機能は光合成機能であるので，ヌクレオモルフにはまだ宿主核に移動しきれていないプラスチド関連遺伝子が豊富にコードされていると予想された．しかしながら，ヌクレオモルフの完全解読により示された結果は意外なものであった．Douglas らは 2001 年に G. theta のヌクレオモル
フゲノムを初めて解読した（Douglas et al., 2001）．
最新の解析では，G. theta のヌクレオモルフは 548個の遺伝子をコードしており，そのうち 487 個はタ
ンパク質コード遺伝子であることが分かっている（Tanifuji et al., 2011）．驚くことに，そのうちわず
か 30 個しかプラスチド関連遺伝子はなく，それ以外の機能が予測された遺伝子のほとんどはリボソー
マルタンパク質や伸長因子などの遺伝子の発現，翻訳などに関連するハウスキーピング遺伝子であった．その後別なクリプト藻類の H. andersenii では
525 個の遺伝子中ほぼ同じ 31 個のプラスチド関連遺伝子が見つかり（Lane et al., 2007），光合成機能を二次的に欠失した C. paramecium では 519 個の遺伝
子 中 に プ ラ ス チ ド 関 連 遺 伝 子 は 18 個 で あ っ た（Tanifuji et al., 2011）．さらに，クロララクニオン
藻類 B. natans では 340 個の遺伝子が見つかり，そのうち 293 個のタンパク遺伝子中，クリプト藻類とは異なる組み合わせの 17 個が葉緑体関連遺伝子と同定された（Gilson et al., 2006）．すなわち，これまで完全解読されたヌクレオモルフゲノムでは，コードされるプラスチド関連遺伝子は全体の遺伝子のわずか 3-6% であり，ヌクレオモルフゲノムにコードされる遺伝子の大部分はハウスキーピング遺伝子である．
しかしながら，これらのハウスキーピング遺伝子
がヌクレオモルフの現状の存在意義，ひいてはヌク
レオモルフが未だに残っている主要な理由であるとは信じがたい．なぜなら，これらのハウスキーピン
グ遺伝子は真核生物に共通して保存性の高い遺伝子群であり，ある特定の生物にだけヌクレオモルフが残る理由とは考えがたいからである．Gilson et al.
(2006) はこれらのハウスキーピング遺伝子は，ごくわずかに残っているプラスチド関連遺伝子が機能するために残っているのであって，わずかに残っているプラスチド関連遺伝子が宿主核へ移動してしまったら，これらのハウスキーピング遺伝子も必要なくなるため，ヌクレオモルフ自体もいずれ消えるかもしれないと述べている．また，Tanifuji et al. (2011)

94

ヌクレオモルフゲノムの進化

はクリプト藻類 3 種とクロララクニオン藻類のプラ
スチド関連遺伝子の比較から，1）非光合成の C.
paramecium は他のクリプト藻類と比べて光合成遺伝
子以外のプラスチド関連遺伝子もいくつか消失していること，2）クリプト藻類が共通して保有する 13の葉緑体関連遺伝子のうち 8 個は，宿主の系統と姉妹群を形成すると考えられるハプト藻類の核ゲノムから見つかっていること，からこれらのプラスチド
関連遺伝子が将来にわたって存在され続ける積極的な理由は見あたらないと述べている．しかしながら，ヌクレオモルフが reductive genome evolution の途
中なのか終点なのかという議論は未だヌクレオモル
フの最大の謎の一つであるので，別章を割き再度議論したい．

造であった．非光合成生物である C. paramecium では
ゲノムの 87.0% が coding 領域であり G. theta とほぼ変わらないものの，タンパク遺伝子は 82 個しかな
く，ゲノムサイズの縮小はコードする遺伝子の欠失によるところが大きいことが示された（Donaher et al.,2009）．一 方 で ヌ ク レ オ モ ル フ ゲ ノ ム で は，C.
paramecium のゲノムサイズは 485.9 kbp であり，G.
theta や H. andersenii に比べると小さいが（表 1），光
合成クリプト藻類の中で最小のゲノムサイズは 495
kbp であり，光合成機能の消失がヌクレオモルフゲノ
ムサイズに与える影響は比較的小さいようである（Tanifuji et al., 2010; Tanifuji et al., 2011）．C.
paramecium のヌクレオモルフがコードするタンパク質遺伝子の数は，85 kbp もゲノムサイズが大きい H.
andersenii と比較して 6 個しか少ない程度であり，Cryptomonas paramecium に見る reductive ge- コードする遺伝子数はゲノムサイズには直接関係していなかった．さらに，遺伝子間領域の長さは 65 kbp
nome evolution
ほどゲノムサイズの大きい G. theta よりもむしろ長Cryptomonas paramecium は淡水産のクリプト藻類 かった．タンパク質の平均長は他の 2 種に比べ短く，の 1 種であり，光合成機能を持たない（少なくとも光 計算上ではタンパク質の平均長がゲノムサイズの小合成色素を持たない）種でありながら，未だにヌクレ ささに最も影響していたものの，統計学的な有意差はオモルフとプラスチド（leucoplast）のゲノムを保持し 見られなかった（Tanifuji et al., 2011）．よって，クリている（e.g. Hoef-Emden and Melkonian, 2003）．二次的 プト藻類の種間のヌクレオモルフゲノムサイズの多に光合成機能を失った生物は他にもユーグレナ藻類 様性は遺伝子の数，遺伝子間領域の長さ，タンパク質の Euglena longa 等があるが（Gockel and Hachtel, の大きさなどでは説明できず，種間のヌクレオモルフ
2000），二次的に光合成機能を失い，且つヌクレオモ ゲノムサイズの差が genome reduction の結果なのか，
ルフとプラスチドゲノムを維持し続けているのは C. 多様性の誤差の範囲になるのか明らかでない．すなわ
paramecium だけが知られている．近年筆者らの研究 ち，ヌクレオモルフゲノムが自由生活性の藻類の核ゲにより本種のプラスチドとヌクレオモルフゲノムが ノムよりコンパクトな構造であることに変わりはな
報告された（Donaher et al., 2009; Tanifuji et al., 2011）． いが（Lane et al., 2007），クリプト藻類間に見られる
ク リ プ ト 藻 類 で は プ ラ ス チ ド で も G. theta と ヌクレオモルフゲノムサイズの多様性（図 2）が何にRhodomonas salina でゲノムが解読されていることか 起因するのか，今後より多くの，特に近縁種間でゲノ
ら，比較ゲノム解析が可能である（Douglas and Penny, ムサイズが大きく異なるヌクレオモルフゲノムの比
1999; Khan et al., 2007）．そこで本章では，クリプト藻 較が必要だろう．
類間の真核型ゲノム（ヌクレオモルフ）と原核型ゲノ
ヌクレオモルフとプラスチドのゲノムを比較した
ム（プラスチド）についての，少なくとも属レベルで 時大きく異なるのは，全遺伝子数に対する機能不明遺分 岐 し た 後 に 起 こ っ た “ 比 較 的 最 近 の ” reductive 伝子の割合である．前章ではヌクレオモルフにコード
genome evolution について議論してみたい．
される機能が予測された遺伝子のうち，ほとんどがハ
本種のプラスチドゲノムサイズは約 78 kbp であり， ウスキーピング遺伝子であると紹介した．しかしなが他の光合成クリプト藻類のゲノムサイズが約 120-160 ら，リボソーマル RNA やトランスファー RNA など
kbp であることから著しい genome reduction が起こっ の構造 RNA を含む“機能の予測された”遺伝子は，ヌていることが予想された（Tanifuji et al., 2010）．光合 クレオモルフゲノムにコードされる全遺伝子の 65%
成クリプト藻類のプラスチドゲノムは G. theta で 程度でしかなく，残りの 35% のほとんどが最新の解147 個，R. salina で 146 個のほぼ同じタンパクコード 析でも他の真核生物との相同性，あるいは機能ドメイ
遺伝子をコードしている．それらタンパク質遺伝子が ン共に認識できない遺伝子群である．Tanifuji et al.
ゲノムに対して占める割合は，121 kbp のゲノムサイ (2011) はこれら機能不明なヌクレオモルフ遺伝子をズである G. theta は 87.7%，136 kbp のゲノムサイズ nucleomorph ORFans （nORFans）と呼び，クリプト藻を持つ R. salina は 80.8% であり，より小さなゲノム 類 3 種のヌクレオモルフゲノム中でどの程度共有さサイズの G. theta の方がよりコンパクトなゲノム構 れているか調査した．その結果，3 種間で共有されてJpn. J. Protozool. Vol. 44, No. 2. (2011)95

図 3 クリプト藻類のプラスチドゲノムの物理地図とシンテニー．(a) Guillardia theta + Rhodomonas salina（外円）とCryptomonas paramecium（内円）のプラスチドゲノムのシンテニー．(b) Simple loss 領域 2 の拡大図．陰付き点線は遺伝子の欠失位置を表す．実線の右側と左側の箱は遺伝子の方向を表している．データは Douglas et al. (1999), Khan et al.
(2007), Donaher et al. (2009) を引用．

いた nORFans はわずか 11-13%（23 遺伝子）であり，70-81%（127-160 遺伝子）の nORFans は他の真核生物だけでなく他のヌクレオモルフ遺伝子とも全く相同性が認められなかった（true ORFans）．対照的に，タンパク質コードのハウスキーピング遺伝子のうち約90%（213 遺伝子）は 3 種のヌクレオモルフゲノムに共通にコードされていた．すなわち，ハウスキーピン
グ遺伝子のほとんどは 3 種間で共通であるのに，共有 す る nORFans は わ ず か で あ っ た．一 般 的 に
reductive genome に ORFans は 多 く な い．こ れ は
reductive evolution の過程で，必須の遺伝子のみが残り，例えば自由生活には必須だがオルガネラ化した後には必要のない遺伝子や種に特有な遺伝子は消失してしまうからと考えられる．実際，クリプト藻類の葉緑体ゲノムでは G. theta , C. paramecium , R. salina の3 種あわせてもわずか 6 個しかない（Douglas and
Penny, 1999; Khan et al., 2007; Donaher et al., 2009）．また，昆虫の共生菌である Buchnera sp. APS 株では 575
タンパク遺伝子中，ORFans はわずか 7 個である
（Shigenobu et al., 2000; Degnan et al., 2005）．しかしながらヌクレオモルフ true ORFans はヌクレオモルフ
遺伝子の内の 24-29% を占めており決して少なくな
い．すなわち，ハウスキーピング遺伝子だけみれば最小の遺伝子セットのみがコードされ，それほど重要でない遺伝子はそぎ落とされたゲノムのように見えるが，反対に nORFans の多様性は維持されているという矛盾がある．
さらにヌクレオモルフとプラスチドゲノムの相違点として，ゲノムアレンジメントの頻度が挙げられる．プラスチドゲノムの比較では，G. theta と R. salina
では，遺伝子の並び方と向きは全く同じ，すなわちシンテニックである（Douglas and Penny, 1999; Khan et al.,2007; Donaher et al., 2009）．著しい遺伝子欠失が起こっている C. paramecium と比較しても，1 カ所のみゲノムアレンジメントが起こっている領域が見つかったが，他の領域は基本的に遺伝子の並び方は同じであった（図 3a）．多くの遺伝子欠失を起こしている領域はゲノムアレンジメントが起こっている領域以外に 3
カ所見つかったが，遺伝子単体の欠失と，光合成に関連する遺伝子群の領域が丸ごと消失していることか
ら，ゲノムアレンジメントを起こさずに欠失（simple
loss）していると考えられる（図 3a, b）．一方で，ヌクレオモルフでは 3 種のヌクレオモルフゲノム間でシンテニックな領域がゲノムの至る所に散見されることから，高い頻度でゲノムアレンジメントが起こっていることが示された（Douglas et al., 2001; Lane et al.,2007; Tanifuji et al., 2011）（図 4a）．不思議なことに，
nORFans の多くは DNA 配列には全く相同性がない96

ヌクレオモルフゲノムの進化

図 4 クリプト藻類のヌクレオモルフゲノムの物理地図とシンテニー．(a) Cryptomonas paramecium のヌクレオモルフ
ゲノムと Guillardia theta（左）， Hemiselmis andersenii（右）のシンテニー．ORFans を除く 4 つ以上の遺伝子が同じ並び方のものを syntenic とする．図は Tanifuji et al.（2011）を改変．(b) Cryptomonas paramecium, Guillardia theta,
Hemiselmis andersenii ヌクレオモルフゲノム間における nucleomorph ORFans（nORFans）の位置関係の一例．黒塗りの箱は syntenic nORFans を示す．影付きの実線は全く相同性のない syntenic nORFan の位置関係を示し，点線は相同性のあるものを示す．全く相同性のない true ORFans の方が多いことが示される．線の上と下の箱は遺伝子の方向を示している．データは Douglas et al. (2001), Lane et al. (2007), Tanifuji et al. (2011) を引用．

にも関わらず，他の種のヌクレオモルフゲノムのシン
テニックな位置にほぼ同じ大きさの ORF として（syntenic nORFans）が存在している（Lane et al., 2007;
Tanifuji et al., 2011）（図 4b）．これらの syntenic
nORFans は配列に相同性がないものの，同じ遺伝子に由来するものと考えられ，また，少なくとも半数のnORFans は EST によるサポートがあることから，
nORFans は配列に保存性が乏しいにも関わらず，タン
パク質の大きさと位置は保存され，実際に転写されている（Tanifuji et al., 2011）．
このように，クリプト藻類のヌクレオモルフとプラ
スチドゲノムは共に reductive genome であり低い G+ C 含有量やコンパクトなゲノム構造などの似た構造を共有する一方，ゲノムアレンジメントの頻度やコードする遺伝子の構成などいくつかの相違点を示した．
特に，なぜヌクレオモルフに多量の nORFans がコードされているのかは全くの謎である．Archibald andLane（2009）はヌクレオモルフが AT-rich なゲノムであることから，潜在的にフェニルアラニン，イソロイ
シン，アスパラギン，ロイシン，チロシンをコードする頻度が高いことに注目した．これらのアミノ酸は細胞膜相互作用，膜貫通タンパク質に関連することが多いため（Deber et al., 1999），機能不明な遺伝子群である nORFans が膜作用に関連するのではないかと指摘している．しかしながら実際に nORFans の機能を調査した例はまだない．
ヌクレオモルフは reductive genome evolution の
結果か途中か？
ヌクレオモルフの最も大きな謎の一つは，他の二次共生生物は共生者核を完全に消失しているのに，“なぜクリプト藻類とクロララクニオン藻類だけ”がヌクレオモルフを持っているのかということである．代表的な reductive genome であるプラスチドゲ
ノムやミトコンドリアゲノムが未だに維持されている説明として尤もらしいのは，redox potential regulation による遺伝子制御が挙げられる．つまり，それらのゲノムにコードされる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め，ゲノムの完全消失は遺伝子発現機構そのものが破綻することを意味する（Allen, 1993, 2003）．しかし，こJpn. J. Protozool. Vol. 44, No. 2. (2011)の説明は真核型ゲノムであるヌクレオモルフには適用できない．他の二次共生生物の reductive genome
evolution とは何か異なる過程をたどった結果なのか，あるいはゲノムが消失する過程にあるだけなのだろうか？ 当然，すでに共生者核を失ってしまった
他の二次共生藻類とヌクレオモルフゲノムを比較することは出来ない．しかしながら，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を比べた場合，クロララクニオン藻類の方がより reductive genome evolution が進んだ状態であるかもしれな
い．Tanifuji et al. (2011) はクリプト藻類 3 種に共有される 217 個のハウスキーピング遺伝子と，クロラ
ラクニオン藻類 B. natans のスプライシング関連遺伝
子を除く 120 個の遺伝子を比較した．その結果，B.
natans の ハ ウ ス キ ー ピ ン グ 遺 伝 子 の う ち 81%（98/120 個）はクリプト藻類も共有しており，さらにクリプト藻類間ではクロララクニオン藻類と共有する 98 個の遺伝子に加え，119 個の遺伝子を共有することが見いだされた．クロララクニオン藻類のヌクレオモルフ遺伝子の多くが，クリプト藻類の持つ遺伝子群の一部に含まれるという事実は，クロララ
クニオン藻類のヌクレオモルフはクリプト藻類に比べてよりゲノム減少が進んだ状態であることを示唆する．また，このことはクロララクニオン藻類のヌクレオモルフの方がクリプト藻類よりも，祖先種のゲノムと比較した時の変異がより蓄積しているという事実とも合致する（Patron et al., 2006）．基本的に同じような遺伝子セットであるならば，クロララク
ニオン藻類では消失している遺伝子が，クリプト藻類でもいずれ消失して不思議はない．少なくとも，
クリプト藻類がコードしているハウスキーピング遺伝子のうち，クロララクニオン藻類がコードしていない 119 個の遺伝子に関しては，今後消失する可能性を十分に秘めているかもしれない．
では，ヌクレオモルフゲノムは消失する過程にあると考えてよいのだろうか？ 前述のようにヌクレオ
モルフゲノムの比較では，将来にわたってヌクレオ
モルフが存在し続ける積極的な証拠は見つからない．また，もしプラスチド関連遺伝子がヌクレオモ
ルフの現在の主要な存在意義なのだとしたら，それらが宿主核に移動してしまえば，やがてヌクレオモ
ルフは消えてしまうかもしれない．とはいっても，未だ何らかの理由で reductive genome evolution が止
まってしまった可能性も否定できない．そもそも，
ヌクレオモルフから遺伝子が消失するにはどのような過程が必要だろうか？ 現在ヌクレオモルフにコードされている遺伝子（あるいはその機能を補う相同遺伝子）が宿主核にコードされ，且つ共生者細胞質区画（PPC かプラスチド）にターゲットされなけれ97ばならない．そのためには 1）EGT によってヌクレ
オモルフから宿主核へ遺伝子が移動，さらにター
ゲット配列を獲得する．2）元々宿主ゲノムが持っている遺伝子が（遺伝子重複などを経て）ターゲット
遺伝子になる．3）Lateral gene transfer（LGT）により全く別の生物から遺伝子を獲得する．の 3 通りの過程が想定できる．このことを検証するには核ゲノムの情報が必要であり，実際，現在 G. theta と B.
natans の 核 ゲ ノ ム プ ロ ジ ェ ク ト が 進 行 中 で あ る（http://www.jgi.doe.gov/sequencing/why/50026.html）．
意外なことに，これまでの核ドラフトゲノムの解析
からは，ミトコンドリアからの DNA 断片の移動は示されたが（Curtis and Archibald, 2010），明白にヌクレオモルフゲノムに相同性の高い配列はほとんど発見されていない（Archibald lab., unpublished data）．
すなわち，ヌクレオモルフから宿主核ゲノムへの“最近の” EGT はほとんど見つかっていないのである．
もしヌクレオモルフから宿主核への EGT が起こらないのだとしたら，少なくともプラスチド関連遺伝子の供給源は LGT のみということになってしまい，ヌクレオモルフから遺伝子が消失する機会の多くが奪われることになる．つまり，ヌクレオモルフ
ゲノムの比較では reductive genome evolution の中途段階に見えたとしても，核ゲノムの情報を加味すると，ゲノム減少そのものは，事実上，止まっているようにも見える．結局のところ，ヌクレオモルフが将来にわたって維持される理由もなければ，積極的に reductive genome evolution が起こっていることを示す証拠もまたないというのが実際のところである．
終わりにヌクレオモルフはクリプト藻類とクロララクニオ
ン藻類にだけ見られるオルガネラであり，二次共生者核の名残である．細胞内共生は生物進化にとって重要な意味を持ち，ヌクレオモルフを持つクリプト
藻類とクロララクニオン藻類は宿主と共生者がどのような遺伝的統合を果たしたのかを調査するのに格好のモデルであると言える．本稿ではこれまでのヌ
クレオモルフに関する知見について，特にヌクレオ
モルフの reductive genome evolution に焦点を当て比較ゲノム学の成果を紹介してきた．クリプト藻類とクロララクニオン藻類のヌクレモルフゲノムの共通点と相違点を表2 に示した．クリプト藻類は紅藻
類，クロララクニオン藻類は緑藻類を共生者としており，宿主，共生者共に起源が全く異なる．にもかかわらず，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はいくつかの共通点を持つ．染色体

98

ヌクレオモルフゲノムの進化

表2 クリプト藻類とクロララクニオン藻類のヌク
レオモルフゲノムの特徴
クリプト藻類クロララクニオン藻類

3 本の線状染色体を含む
Sub-telomeric rDNA を持つ
ゲノムサイズが小さい（0.33-1 Mbp）
GC 含有量が低い
ハウスキーピング遺伝子を豊富に持つ
プラスチド関連遺伝子はわずか（3-6%）
紅藻類起源

緑藻類起源

イントロンが少ない

イントロンが豊富

テロメア配列が多様

テロメア配列が同一数はこれまで調査された株全てで 3 本であり，そのゲノムサイズは両系統で比較的近く，0.33-1 Mbp である．ヌクレオモルフゲノムにコードされる遺伝子はほとんどがハウスキ −ピング遺伝子と nORFans
で，プラスチド関連遺伝子は少数であり，クロララ
クニオン藻類とクリプト藻類のヌクレモルフは基本的に同様の遺伝子セットを持っている．一方で，なぜ常に 3 本の染色体が残されているのか？ なぜ
DNA配列に保存性が乏しいのに関わらず nORFansが残っているのか？ nORFans の機能は何かという問
題は未だ解決されていない．さらに，なぜクリプト
藻類とクロララクニオン藻類だけ共生者核が残っているのか？ このゲノムは reductive genome evolutionの中途段階なのか，あるいは結果なのかという大きな疑問も残ったままである．ヌクレオモルフゲノムの解析に加え，G. theta と B. natans の核ゲノムが近い将来公開されることで，今後はどのような核コード遺伝子が PPC にターゲットされているのか？ それらはどのようにして獲得されたのか？ のような，核とヌクレオモルフの情報を相互に利用した切り口による研究が活発になると予想される．
また，生物界にはミトコンドリア，プラスチドやヌクレオモルフのように完全にオルガネラ化した細胞内共生だけでなく，渦鞭毛藻類やウミウシに見られる盗葉緑体や（Rumpho et al., 2008; Wisecaver andHackett, 2010），細胞内共生者を分離培養可能なゾウ
リムシとクロレラの関係など（Kodama and Fujishima,2010），宿主と共生者の関係がそれほど強固でない段階の生物群も現存している．さらに，2 種以上の生物間の関係の特殊化という意味合いでは，レジオ
ネラなどのアメーバ細胞内に存在する様々な病原菌
類や（Moliner et al., 2010），アピコンプクレクサ類（マラリア原虫など：Morrison, 2009）やキネトプラ
ス チ ダ 類（Trypanosoma な ど ： Simpson et al.,2006），微胞子虫とそれらの宿主に見られる寄生関係もこの分野と関係が深い（Keeling and Fast, 2002;
Keeling et al., 2005）．なぜ一方では共生，一方では寄生になってしまうのだろうか？ 近年の分子生物学的技術の発展により，それら 2 つ以上の生物ゲノムの包括的な挙動，生物間の遺伝子移動を直接比較することが現実的になってきている．そのような研究から，将来的には，共生と寄生に関するメカニズムの違いの研究のように，基礎生物学だけでなく社会的にも重要な知見が蓄積されることが期待される．
謝辞
本 稿 の 執 筆 に あ た っ て 様 々 な ア ド バ イ ス と，Guillardia theta , Bigelowiella natans の核ゲノムデータの一部使用許可をいただいた Dalhousie University のJohn M. Archibald 博士に感謝致します．また，写真の提供をいただきました University of Oslo の大田修平
博士，Dalhousie University の Eunsoo Kim 博士，原稿に対し助言をいただいた小野寺直子氏に感謝致します．
本稿を執筆する機会をいただいた日本原生動物学会と山口大学の藤島政博教授にお礼申し上げます．
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