藻類 J
pn.J.Phyco.
l(Sorui)51:135・137，Jul
y10，2003135吉川伸哉:藻類の青色光受容体について

藻類の青色光反応は，生理学的，形態学的研究によって細胞自体，オルガネラの光運動反応 (photomovement)や光形態形成 (photomorphogenesis)など数多く報告されている(1)。光受阻害を行ったミドリムシでは，光驚動反応の一つであるスッ容体の化学的な実体とシグ ナル伝達経路についての研究は極テプアップ反応(光が急に強く成ったときに起こる反応，光めて少ないのが現状である。本稿では近年の分子生物学的な手法の発達に伴い実体が解明されたミドリムシ (Euglenagracilis)の光運動反応における光受容体 (2)と，クラミドモナ回避の素過程)が明らかに阻害された。そのようなミドリム
シではノーザン解析で PACの発現が見られなくなるだけではス(Chlamydomonasreinhardtii)の光形態形成における光受容体 (3)の2種類を紹介する。

ミドリムシにおける PACの役割
PA
Cの機能解析は RNAiにより行われた。剛Aiで PACの発現なく， PFB自体が光学顕微鏡レベルでは確認されなくなり，鞭毛基部に見られるミドリ色の自家蛍光も失われた。これらのことにより PACはミドリムシのステップアップ反応における青色光受容体であることが解った。

1.ミドリムシにおける青色光受容体

青色光により引き起こされる cAMP
濃度の上昇がさらになん

ミドリムシを用いた光運動反応についての研究の歴史は長く，走光性 (phototaxis)，光走速性 (photokinesis)，光驚動

らかの伝達経路を介し鞭毛運動を制御することが考えられ，そのシグナル伝達経路の解明に興味が持たれる。

性(photophobicresponse)の 3つのタイプの反応が報告されている(1)。光受容体はミドリ色の自家蛍光を発する反応(光が急に弱く成った時に起こる反応，光集合の素過程)

Paraflagellarbody (PFB)と呼ばれる鞭毛基部の膨らみにあその一方で，もう一つの光驚動反応であるスッテプダウンると考えられており。その発光固としてフラピンとプテリンは PACの発現を阻害しても影響がないことが示され，ミドリ
ムシの光驚動反応が異なる 2つ(もしくはそれ以上)の受容が推測されていたが，長年の閉その実体は同定されていな体により制御されていることが示唆された。過去の生理学的かった。 2002年に伊関らはミドリムシの細胞を破砕した後，密度勾配遠心法により高純度の PFB分画を調整し，そこに含まれるタンパク質をフラピンの蛍光を指標に分離，精製するな研究においても，ステップアップ反応とステップダウン反領域の作用スベクトルに違いが見られるため応とではUV‑B/Cそれそeれで異なった光受容体の存在が示唆されており (5)，生ことにより PFBに局在する青色光受容体の同定に成功した。

化学的，分子学的な手法を用いた伊関らの研究によりそのことが強く支持された。近い将来，ステップダウン反応の青光

ミドリムシで発見された新規の青色光受容体タンパク質，受容体が同定されることを期待する。

PAC)
光活性化アデニル酸シクラーゼ (ミドリムシの光受容体は，分子量が 105k
Daと90kDaのタ2. クラミドモナスの光形態形成における青色光受容体ンパク質がそれぞれ 2量体づっ結合したヘテロ 4量体からな

クラミドモナスは窒素欠乏条件下において配偶子への分化

り， 2種類のタンパク質はいずれも，光合成細菌肋odobacterが起こりその後接合，減数分裂の過程を経て 4もしくは 8個の娘細胞が接合子内に形成される。娘細胞は接合子の細胞壁

sphaeroidesの光合成活性遺伝子の調整因子として報告された AppAのフラピンアデニンジヌクレオチド (FAD) 結合領域と類似したアミノ酸配列を含むことと，精製した発色団の化学的な性質から FADを発色団としてもつ光受容タンパク質であることが示された。このタンパク質のもう一つの大きな特徴はそれぞれの FAD結合領域の C末端側にアデニル酸シクラーゼ触媒領域を含むことである。アデ ニル酸シクラーゼはを溶解し泳ぎ出す(発芽)。この有性生殖の過程の配偶子形成，接合能力の回復，接合子の発芽の 3つの段階で光による制御が見られ，特に配偶子形成が 370nm (近紫外)と 440nm(青色)の光で制御されるため，配偶子形成に関与する青色光受容体の存在が予測されていた (6)。光が関与する 3つの反応ATPから cAMPの生成を触媒する酵素であり cAMP濃度の上昇・・・・は，細胞内の様々なプログラムを始動することとなる。ミドリムシの光受容タンパク質に含まれるアデ ニル酸、ンクラーゼ

畑 山F
1C1NII I圃 圃F2C
2
I Iの酵素活性が青色光照射により約 80倍に上昇することから，

伽90k

F
官
C
1NII I圃 圃F2C2 85
畠am
Jnoacids
I IIc

ミドリムシで発見された光受容タンパク質は青色光照射で活性化が起こるアデニル酸シクラーゼ活性を有している特異なタンパク質であることが示され，ミドリムシの光受容体は光活性化アデニル酸シクラーゼ (photoactivated adeny1y1cyclase :PAC)と名づけられた。

~m~noaCid

図1. PAC(photoactivatedadenylylcyclase)の構造的な特徴。 105kDaと 90kDaの両方で 2つのフラビン結合領域 (Fl，F2)と 2つのアデニール酸シクラーゼ触媒領域 (Cl，C2)領域を含む。参考文献 (2)より改変。

136v Vの中で，接合能力の回復は短時間で起こりタンパク質合成を必要としないが，配偶子形成と接合子の発芽に関しては，光遊 糊刺激受容後における遺伝子発現を伴うことが示されている。
そのため緑藻クラモドモナスにおける青色光受容体の解析はその進化的な意味だけではなく，青色光受容体と遺伝子発現の制御という観点においても興味深い問題であった。クラミ
ドモナスの EST解析から陸上植物で発見，同定された 2種類の青色光受容体，クリプトクローム (cryptochrome)とフォトphototropin)を持つことが既に報告されていたが，トロピン (それらが実際にクラミドモナスの細胞内でどのような機能を果たしているかは解っていなかった。 200
3年に Huangらによりクラミドモナスの配偶子形成から接合，発芽の一連の過程においてフォトトロビンが青色光の受容体として機能しているとし、う報告がなされた。
フォトトロビン (PHOT)
フォトトロビンはその名前からも解るようにシロイヌナズナにおいて光屈性 (phototropism) に関与する遺伝子としてPHO
T1が見い出された後 (7)，PHOT1ホモログとして PHOT2が発見された。フォトトロビンは N末端側に発色団としてフラピンモノヌクレオチド (FMN) が結合している 2ケ所の LOV(lightoxygenvoltage)領域と C末端部分のセリントレオニンキナーゼ領域から構成されている。その後の研究により，シロイヌナズナにおいてフォトトロビンは光屈性以外にも青図2. クラミドモナス (C. reinhardtii)の生活環と光形態形成。

色光による葉緑体の光定位運動や気孔の開口にも関与してい白抜きの矢印で示された各段階でフォトトロビンの関与が見られた。参考文献 (3)より改変。

ることが示された。フォトトロビンは動物ではその存在が報告されていない一方で，複数の陸上植物でフォトトロビンのホモログ遺伝子が発見され，藻類においてもクラミドモナスに相同の遺伝子が存在するとし、う報告がなされた (8)。

疑問と，陸上植物に於いてもいまだ不明瞭な細胞内におけるフォトトロヒ。ンの局在についてである。残念ながらこれらの2点についてまだ明確な結論に至っていないが，シグナル伝達に関しては，変異体 lrg (light regulation ofクラミドモナスにおけるフォトトロビンの役割
クラミドモナスにおけるフォトトロビンの機能解析には，前述のミドリムシのと同様に RNAiが用いられた。クラミドモ
ナスではフォトトロビンを完全に欠く変異体は致死になってNAiによりフォトトロビンの発現量が減少した株しまうためRを選ぶことにより解析が行われた。フォトトロビンの発現量

gametogenesis)を用いた研究から少なくても L
RG4遺伝子は配偶子形成と発芽の両方に関与していることが示されている
ため (9)フォトトロビンの光受容により生じるシグ ナノレ伝達経P路の内の幾つかは配偶子形成と発芽の双方に共通していることが推測される。フォトトロビンの局在についてはを減少させた株では，配偶子分化に顕著な阻害が見られ，さらに配偶子形成過程において転写量の増加が起こることが知られている低E(Gameteslyticenzyme) 遺伝子の転写も抑unpublisheddateながらフォトトロピンが細胞体だけでは無く鞭毛においても見られたことが述べられており，鞭毛凝集とフォトトロビンの関係についても今後の研究に興味が持たれる。

制された。この結果からこれまで遺伝子としてはその存在が知られていたクラミドモナスのフォトトロビンが初めて青色光の受容体として機能していることが確かめられた。また配偶子分化の阻害と同様に，フォトトロビンの発現量の減少により配偶子の接合能力の回復，接合子の発芽においても光の今回ミドリムシの光運動反応とクラミドモナスの光形態形成の青色光受容体について報告した論文を紹介させて頂いた。

効果が低下していることが示された。これらのことから異なった 3種類の光形態形成の光受容体がフォトトロビンであることが示された。
さて，次に問題に成るのが共通の光受容体で感受した青色光の刺激がどのようなシグナル伝達経路を経て配偶子形成や接合子の発芽といった異なった現象に結び着くのか?という藻類では多岐の分類群において光運動反応や光形態形態形成の報告がなされており藻類を用いた研究により新たな青色光受容体の発見が期待される。
参考文献(1)Watanabe，M.CRSHandbookofOrganicPhotochemistryandPhotobiology.(eds.InHors
pool，W.M.elal.
)CRCpress，BocaRaton，pp.
1276・ 1288.(
1995)

137，S.，Murakami，A，Ohno，K.，Shig，aK.，Yoshida，(2)Iseki，M.，Matunaga(6)Weissing，H.&Beck，c.
， F.PlantPhysioL97:118・121(1991).

K.，Takahashi，T.，Hori，T.& Watanabe，M.Nature4
15:1047・
1051.(
2002).
(3)Huang，K.& Beck，C.F.P
roc.NatLA
cad.Sci.USA100:6269・(7)Huala，E.，Oeller，P.W.，Liscum，E.，Han，L‑
S.，Larsen，E.& BriggsW.R.Science278・ 2120・2123(1997)(8)Huang，K.，Merkle，T.& Beck，C.F.PhysioLPlant.1
15:613・622

6274.
(4)Lebert，M.Photomovement(edsHader，D.‑
P.&Lebert，M.)(2002)(9)Gloeckner，G.&Beck，C.F.Genetics1
41:937‑943(1995)

Elsev
ier，Amsterdam，pp.299・326.(
2001).
，S.，Hori，T.，Takahashi，T.，Kubota，M.，Watanabe，M.，(5)Matunaga

Okamoto，K.，Masuda，K.& Sugai，M.Protoplasma20
1:45・52(1998)(岡崎国立共同研究機構・基礎生物学研究所・培養育成研究施設)