藻類 Jpn. J. Phycol. (Sôrui) 67: 5-9, March 10, 20195

水圏の光合成を支える動的で柔らかいピレノイド
田中厚子
学生の頃，美しい電子顕微鏡写真に惹かれて始めたピレノ
イド研究は，その生物学的意義に対する質問を頂くことが多る（図１）。さらに物質の相互作用の強度，温度，pH，イオン強度なども相分離の形成に影響があるとされている。液−かった様に思う。藻類を研究していると「なんで藻類？」と液相分離の状態は識別が容易なものから困難なものまで幅広聞かれることが多々あるが，ピレノイドを研究していた頃はく存在するため，細胞内には未知の区画が多く存在するとも藻類を研究されている方にまで「なんでピレノイド？」と聞考えられる。細胞内で液−液相分離が関与している例として，

かれることが幾度となくあった。それから長い時間が経ち，気がつけば生産力向上を目指して，陸上植物へのピレノイド
導入試験が行われる時代になっていた。長く生きているなぁと思うべきか，科学研究の発展スピードを讃えるべきか迷う
ところではあるが，筆者としては ʻ満を持してʼ ピレノイド研

遺 伝 子 の 発 現 制 御（Larson et al. 2017） や ス ト レ ス 応 答（Riback et al. 2017），濃縮による反応の効率化（Strulson etal. 2012）などが報告されている。植物細胞ではピレノイド
も液−液相分離によって維持される PMLO として扱われるようになっており（Cuevas-Velazquez & Dinneny 2018），

究の面白さをお伝えすべく，最新のピレノイド研究を紹介さピレノイドは細胞内の区画からもう一歩進んで，細胞小器官

せて頂こうと思う。実は大型藻類の研究紹介を期待して執筆（葉緑体）内での区分け（相分離）の例と言える。

依頼を頂いたそうだが，筆者の無節操な性格に免じてお許し頂ければありがたい。

膜を持たない細胞小器官

細胞小器官とは細胞内で特定の機能を持つ構造体の総称であるが，一般的に思い出される細胞小器官は生体膜を伴うものが多い。葉緑体やミトコンドリアは包膜だけでなく内部にも存在する膜構造にタンパク質を固定することで適切な位置での機能発現を行い，リソソームや液胞は膜で包ま

ピレノイドの形態

ピレノイドはリブロース 1,5- ビスリン酸カルボキシラー

ゼ / オキシゲナーゼ（Rubisco）を主成分とするタンパク質の集合体で，葉緑体の内部に存在する（Kerby & Evans

1978, Lacoste-Royal & Fibbs 1987, Kuchitsu et al. 1988,
Morita et al. 1997）。微分干渉顕微鏡であれば，葉緑体内の明確な顆粒として容易に識別できる場合が多い。透過型電子

れた内部に分解酵素やイオンを保持して反応を行う。その一方で膜を持たない細胞小器官（proteinaceous membrane-

less organelles; PMLOs）も存在し，生体分子の濃縮体と合わせて 20 種類以上の構造が既に報告されている（Uversky2017）。PMLO として代表的なのが核小体である。膜構造を持たない核小体にはタンパク質と RNA が大量に含まれており，非常に高い粘性を持つことで液滴として周囲の環境から隔絶されていると考えられている。この粘性は ATP 依存性があることから，エネルギーを使って動的に制御されているのだろう（Brangwynne et al. 2011）。このような膜を持たない “区分け（液 - 液相分離）” が細胞内の化学反応の場の形成として重要な役割を担うことが近年の研究で明らかとなってきた。そして藻類の細胞においてはピレノイドも代表的な PMLO とみなせることが分かってきたのだ。PMLO が細胞小器官として特定の機能を持つためには，膜構造を伴わない形での周辺との区分けが必須であるが，膜構造に依らない区分けを可能にするのが液−液相分離である。例えば，高濃度のポリエチレングリコールとデキストランを混ぜると溶液が二層に分かれるが，このようなポリマーの相分離は古典的な熱力学で説明できるとされている（Keating 2012）。高分子である物質 A と物質 B が高濃度で水に溶けている場合，均質な溶液になるか相分離するかはそれぞれの濃度に依存す

図１．高分子である物質 A と物質 B が共存する溶液での液−液相分離の相図。実線は各濃度に応じた共存カーブを示し，上の領域では相分離，下の領域では均質な溶液の状態となる。濃度だけでなく，相互作用の強さや温度，pH などにより，共存カーブが 2 種類の破線のように変化する。

6

顕微鏡で観察すると，一部の生物種ではデンプン粒によって区別されるものの，多くの場合は葉緑体ストロマとピレノイドの境界を示す明確な構造はなく，ストロマと異なる
電子密度を有し，チラコイド膜が全く存在しないか極端に少なくなる区域として認識できる（図２）。ピレノイドマトが報告されている（Nagasato & Motomura 2002，Tanaka
et al. 2007）。しかし，ピレノイド研究に多く用いられている緑藻クラミドモナス Chlamydomonas reinhardtii や珪藻
Phaeodactylum tricornutum を含む微細藻類は埋没型ピレノイドであることが多く，埋没型を中心にピレノイドの機能研

リックスに関しては，これまでに結晶性が主張されている種究が進められている。

& Sweeney 1976）がある。ピレノイド内部に膜構造が観ピレノイドの機能a）チラコイド膜の一部から連続する膜がピレノイドマト
リックスを横断するタイプ（図２b）などが報告されている（Goodenough 1970, Herman & Sweeney 1976，Tanaka et
al. 2007，Bedoshvili et al. 2009）。ピレノイドの形態は種のコケ類と多くの藻類で報告されており，真核生物全体を見（Holdsworth 1968）と非結晶性が主張される種（Herman
察される種も多く，葉緑体包膜が貫入するタイプや（図２によって様々で，褐藻類では葉緑体から突き出るタイプ（突出型）や，葉緑体の中央部に位置するタイプ（埋没型），葉緑体の端に形成して複数が集合するタイプ（集合型）など

ピレノイドは維管束植物での報告例が無い一方で，一部渡しても多様な分類群に存在する。このことはピレノイドが水圏での光合成にとって重要な機能を持つ可能性を示唆するが，同属内でもピレノイドを持つ種と持たない種がある点が他の細胞小器官とは大きく異なる（Hori 1971, Morita et al.
1998）。

水圏での光合成とピレノイドを結びつけるのが無機炭素濃縮機構（Carbon Concentrating Mechanism; CCM）である。水中での二酸化炭素の拡散速度は空気中に比べて非常に遅い。さらに二酸化炭素は水と反応して重炭酸イオンや炭酸
イオンとなり，これらをまとめて無機炭素と呼ぶ。無機炭素

はそれぞれの形で pH 依存的な平衡状態を保つが，炭素固定を行う Rubisco は二酸化炭素のみを基質にする。水圏で光合成を行う微細藻類の Rubisco は陸上植物のそれに比べて二酸化炭素に対する親和性が低く（福澤ら 2012），さらにRubisco のオキシゲナーゼ活性を抑えてカルボキシラーゼ活性を促進するためには Rubisco 周辺の二酸化炭素濃度を高める必要がある。そのため多くの微細藻類では，能動的に無機

炭素を細胞内に取り込み，二酸化炭素として Rubisco へ供給する仕組み（無機炭素濃縮機構）を発達させたと考えられている。緑藻クラミドモナスでは，低 CO2 環境下でエネルギー

依存的な無機炭素プールの形成が報告され（Badger et al.
1980），Rubisco の大部分がピレノイドに局在し，ピレノイドが発達する様子（Lacoste-Royal & Fibbs 1987, Kuchitsu

et al. 1988, Morita et al. 1997）が確認されるなど，ピレノ
イドが無機炭素濃縮機構の中心的な役割を担う可能性が強く示唆されるようになった（Kuchitsu et al. 1991, Ramazanov
et al. 1994, Badger et al. 1998）。 さ ら に 高 CO2 環 境 下 でしか生育できない CO2 要求性の変異株が単離されると，低CO2 誘導性遺伝子の同定や CO2 要求性変異株と野生型株の遺伝子発現解析などが行われ，無機炭素濃縮機構関連遺伝

図２．埋没型ピレノイド。a: 褐藻 Splachnidium rugosum の葉緑体とピレノイド。葉緑体の中央に巨大なピレノイド（白矢印）が位置し，その周辺からチラコイド膜を内在させた葉緑体部分が星状に広がる。
ピレノイドの内部にはチューブ状の膜構造（黒矢印）が見られるが，これは葉緑体包膜が貫入して形成される（Tanaka et al. 2007）。b:
珪藻 Phaeodactylum tricornutum の葉緑体とピレノイド。二つに等分割された娘葉緑体の中央に一つのピレノイド（白矢印）が存在する。
ピレノイドの中央を横断する膜はチラコイド膜の一部（黒矢印）。ス
ケールは 1 µm。

子が推定された（Miura et al. 2004，Yamano et al. 2008）。
無機炭素濃縮機構関連遺伝子には転写調節因子のほか，炭酸脱水素酵素や無機炭素輸送体，デンプン合成酵素などが含まれており，それらの局在から無機炭素濃縮機構のモデルが提唱されている（福澤ら 2012）。

クラミドモナスで提唱されているモデルでは，細胞膜や葉緑体包膜に局在する無機炭素輸送体から運ばれた無機炭素
が，ピレノイド周縁部に局在する炭酸脱水素酵素で二酸化炭素へと変換されて，ピレノイドに局在する Rubisco へ運ばれ7

Pyrenoid Component 1 (EPYC1) がクラミドモナスで単離された。この EPYC1 は無機炭素濃縮機構に必須であるだ

けでなく，Rubisco のピレノイドへの集積にも不可欠な因子であることが報告されている（Mackinder et al. 2016）。複数の Rubisco ホロ酵素がこの EPYC1 と結合できることが示唆されたものの，ピレノイド内での Rubisco の充填構造については不明であった。翌年には同じグループから，この EPYC1 と Rubisco 小 サ ブ ユ ニ ッ ト １（RBCS1） を 用

いた生細胞での詳細なピレノイド観察が報告されている（Freeman Rosenzweig et al. 2017）。以下，この論文の内容を中心に紹介する。

ピレノイド複製は分裂と新生を併用する

前述の通り，生細胞でのピレノイド新生はこれまでに観察されていなかったため，ピレノイドの複製は種によって新生か分裂かのどちらか一方であるように漠然と考えられていた。しかしピレノイド局在タンパク質である EPYC1 と図３．クラミドモナスにおける無機炭素の流れの模式図。CAH は脱水素酵素，LCI は低 CO2 誘導性因子を示す。ピレノイドから漏れ出した膜透過性の高い CO2 がピレノイド周辺に局在する CAH6 によって膜透過性の低い HCO3 −へと変換される。（福澤ら（2012）の図を参考に作成）

RBCS1 の遺伝子に蛍光タンパク質（Venus）遺伝子をつなげて発現させた生細胞を観察してみると，EPYC1 シグナルは大多数の細胞が分裂によって母細胞のピレノイドの一部を受け継ぐか（67％）又は全て受け継ぐことを示した（16％）
が，少数ではあるが点状のピレノイド顆粒のみを受け継ぐ細胞（7％）又はピレノイドを全く引き継がない（9％）細胞も確認された。この割合は RBCS1 シグナルでも同様であった

た二酸化炭素を捕獲して重炭酸イオンに戻すための酵素も存（Figure 2 in Freeman Rosenzweig et al. 2017）。また点状のピレノイド顆粒しか存在しない場合や全くピレノイド成分が在する（図３）。このように現在ではピレノイドは炭酸濃縮検出されない場合でも，新しいピレノイド顆粒の出現やピレ機構の中心的な役割を担う細胞小器官であると考えられていノイド顆粒同士の融合が繰り返されることでピレノイドが新る。

生される様子が観察されている。

ピレノイドの分裂と新生観察した結果は，分裂や新生の過程で示されるピレノイドのピレノイドを有する藻類は葉緑体分裂に先駆けてピレノ

流動性を明らかにしている。例えば，ピレノイドが分裂する

イドを二分する種と，細胞分裂中はピレノイドが消失する種

際には，ダンベル状に引っ張られ，娘ピレノイド間にブリッる。二酸化炭素は生体膜の透過性が高いことから，逃げ出しがあるとされていたが（Griffiths 1970），ピレノイドが新たピレノイド分裂中の RBCS1 シグナルを１分ごとに連続ジ構造が見られた後，すぐに球形のピレノイドに戻る様子に形成される様子もいくつかの種で確認されている。このよが観察された。さらに複数の点状に局在するピレノイド顆

うなピレノイドの分裂と新生様式の多様性は褐藻類でも報告

粒については，小さいものが縮小し，大きいものが成長するされており，Scytothamnus australis では二分するピレノイドが報告されているほか（Tanaka et al. 2007），カヤモノ

リ Scytosiphon lomentaria では，既存のピレノイドとは別の部位に新しくピレノイドが発達する様子が観察されている（Nagasato & Motomura 2002）。同様のピレノイド新生は緑藻や渦鞭毛藻類でも報告されており，ストロマの一部に
電子密度の高い物質が集積し，チラコイド膜を押しやるよう様子が確認され，まさしく液体ゾルなどの微小な粒子が分散している形において見られるオストヴァルト熟成注１ と呼ばれる現象を示した。このような複製過程における分裂と新生の併用は，アメリカツメガエルの核小体でも報告されており（Brangwynne et al. 2011），ピレノイドが液体である可能性を示唆している（Freeman Rosenzweig et al. 2017）。

に発達する様子が確認できる（Hoffman 1968, Herman &ピレノイドマトリックスの構造と流動性顕微鏡による固定細胞の事例であり，生細胞での連続的な観察が求められていた。

Cryo-ET（Cryo-Electron Tomography; Asano et al. 2016）
を用いて，Rubisco 周辺のホロ酵素濃度を計算してピレノイ

低 CO2 環境でピレノイドに集積するタンパク質 Essential

つべき長距離秩序（long-range order）の特徴を欠いている

Sweeney 1976）。しかしこれらの新生過程の観察は全て電子2016 年 に Mackinder ら に よ っ て，Rubisco と 同 様 に

分子レベルの細胞内環境を三次元で可視化できる In situ

ド内の Rubisco 充填量を定量してみたところ，結晶構造が持8ことが分かった。In situ Cryo-ET では各 Rubisco 分子をピ
ンポイントで位置決定することが可能であるため，この実測
値と Rubisco が結晶構造を有すると仮定したシミュレーショ

ン結果を比較したところ，ピレノイドでの Rubisco のアレンジメントが六方最密充填構造とも結晶化した Rubisco の構造

らく多用されているだろう。液−液相分離によって形成された液滴が細胞内に無数の反応の場を提供し，それらが融合や消滅をすることで，細胞内の様々な反応系の共存を可能にしているのかもしれない。今後の研究の発展が非常に期待される分野である。

とも異なることが判明した。また，ピレノイドマトリックスの Rubisco 局所密度（local density）は液体分子の相互作用（注１）オストヴァルト熟成（オストワルト成長）：粒子のサ

イドマトリックス中で見られる Rubisco の動径分布は，液解して大きな粒子に沈着する現象で，粒子全体の体積は変化の単純なモデルの動径分布関数に一致したことから，ピレノ

イズによる粒子表面のエネルギー差により，小さな粒子が溶体の場合によく類似すると言える。ホロ酵素が適切な間隔でせず，粒子の数が減少する。

能性も示唆された（Figure 4 in Freeman Rosenzweig et al.
2017）。

引用文献

Rubisco 同士を連結し，ネットワーク構造を形成している可

次にピレノイドマトリックスの流動性を確かめるために，

FRAP（Fluorescence recovery after photobleaching 光褪色

後蛍光回復法）を用いた検証が行われた。レーザーでピレノ
イドの半分の領域に局在する蛍光分子を褪色させると，死細胞では変化が見られないのに対し，生細胞では褪色部分が回復する様子が確認された（Figure 5 in Freeman Rosenzweig

et al. 2017）。分子量の異なる EPYC1 と RBCS1 では回復に要する時間に差があったものの，両者とも生細胞でのみ褪色
部分での蛍光の回復が見られたため，クラミドモナスのピレノイドマトリックスが液体のような挙動を示すことが明らかとなった。さらに生細胞でのみ流動性が維持されていることから，前述の核小体と同様にエネルギー依存的な流動性の確保が関与していると考えられる（Brangwynne et al. 2011）。
細胞分裂期を通した EPYC1 と RBCS1 の観察と同時に蛍光輝度測定を行なったところ，葉緑体とピレノイドの分裂が完了する直前に，ピレノイドに局在する EPYC1 量と RBCS1

量が減少し，それらの葉緑体ストロマへの局在が増加した。
しかし葉緑体とピレノイドの分裂が完了する頃には，再びピレノイドへの局在が増加してストロマの局在が減少していた。
この現象は，（Figure 6 in Freeman Rosenzweig et al. 2017）
ピレノイドの構成成分が細胞分裂の間にストロマでの拡散か
らピレノイドでの相分離へ移行している可能性を示唆しており，集積する液相の時期と可溶化して拡散する時期との間を移行する現象は，核小体など他の液状タンパク質でも見られる特徴的な性質である（Brangwynne et al. 2011）。

以上のような精密な実験結果から，やはりピレノイド
が液−液相分離を伴う膜を持たない細胞小器官であること

は 疑 い よ う の な い 事 実 で あ る よ う に 思 わ れ る。Freeman
Rosenzweig ら（2017）によるとピレノイドの最初の記載は1803 年とされており，既に 200 年以上が経過している。そのピレノイドが現代になって液−液相分離という観点から見直され，その存在意義をやっと我々が理解し始めていることはとても興味深い。酵素（Rubisco）と基質（二酸化炭素）
を同じ空間に閉じ込めて反応効率を向上させるというこのような仕組みは，細胞内や細胞小器官内の別の反応系でもおそAsano, S., Engel, B. D. & Baumeister, W. 2016. In situ cryo-electron
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（琉球大学）