光合成研究

22 (2) 2012

解説
クロロフィル合成系の多様性はいかにして生まれたか？‡
北海道大学 低温科学研究所1, CREST/JST2
伊藤寿1,2、田中歩1,2、田中亮一1,2*
1. はじめにな光合成生物のゲノム情報を調べてみると、高等植物

光合成生物はchlorophyll (Chl) a, b, c, d, f やの Chl a 合成経路の酵素は、その大半がラン藻由来で

bacteriochlorophyll a, b, c, d, e, gといった多様なクロロあることが明らかとなった 2 ) 。しかし、予想に反しフィルやバクテリオクロロフィルを合成する。これらて、大部分のラン藻のゲノムには、植物の P P O X とのクロロフィル類は、それぞれ異なった吸収波長を持

D V Rの２つの酵素はコードされていないことが明ら

ち、光合成生物が多様な光環境に適応する原動力とかになった1,2)。当時、ゲノム情報の公開されていた約なっている。これらのクロロフィル類のうち、Chla

30種類のラン藻のゲノムのうち、植物型のPPOX遺伝

は、すべての酸素発生型の光合成を行う生物にとって子のホモログを有するラン藻は、 T r i c h o d e s m i u m

必須の光合成色素である。酸素発生型の光合成がラ

erythraeumとThermosynechococcus elongatusのみでありン藻から真核型光合成生物のプラスチドへと受け継3 )がれたのと同様に、クロロフィル生合成を担う酵素群

Synechococcusのみであった4)。これらの結果は、大部、植物型の D V R を有するラン藻は 5 種類のもラン藻から真核型光合成生物へと受け継がれた。
しかし、意外なことにクロロフィル合成経路の一部の反応は、ラン藻と真核型光合成生物において、全く違う酵素が担っていることが明らかになってきた。「なぜ」違う酵素が存在するのか、という問に対しては現状では明快な答えはない。しかし、クロロフィル合成
系の「酵素の」多様性は、クロロフィルの多様性が「いかに」生まれたのか、という問に対しては、ヒント を 与 え る か も し れ な い 。 本 稿 で は 、
protoporphyrinogen IX oxidase (PPOX) と divinyl
chlorophyllide reductase (DVR) の２つの酵素の多様性を通じて、クロロフィルの多様性が「いかに」生まれたのか、という点について考察を試みる。

2. 高等植物のクロロフィル合成
Chl aは、高等植物においては、glutamyl-tRNAを出発物質として、15段階の酵素反応によって合成される
図1 クロロフィル代謝経路（前半部分）
Protoporphyrinogen IXの酸化は、ヘム合成経路とクロロフィ
ル合成経路に共通な反応である。HemY, HemG, HemJという３つのタイプのPPOXが同定された。Protoporphyrin IXに
Fe2+がキレートするとヘムが合成され、Mg2+がキレートされるとクロロフィル合成経路へと反応が進む。
Protoporphyrinogen IXの酸化される部位を赤で示した。

（図 1 にその前半の反応経路の概略が、図 2 に後半の反応経路が記載されている）。これらの酵素は2005年
までにすべて同定された 1 ) 。（高等植物が持つ、もう一つのクロロフィル、Chlbの代謝経路は、後述する

ように、ようやく2 0 1 2年に同定された。）さまざま‡

解説特集「光合成を支えるテトラピロール代謝の多様性」* 連絡先 E-mail: rtanaka@lowtem.hokudai.ac.jp98光合成研究22 (2) 2012

合物であることで有名である。もう一つは、hemG遺伝子にコードされる 20 kD 程度のタンパク質で、やはりフラビン結合タンパク質であり、Flavodoxinと構造上の類似性が見られる 1,2,7) 。このタイプのPPOX酵素
は、主に大腸菌などγ-proteobacteriaに見られる。
我々は当初、大腸菌hemG欠損株の機能的相補による、ラン藻 P P O X 遺伝子のスクリーニングを行ったが、一年近い試行錯誤にも関わらず、大腸菌h e m G欠損株を相補するラン藻ゲノムDNAクローンは得られなかった。そこで、ラン藻 Synechocystis sp. PCC6803(Synechocystis)を用いた遺伝学的手法によってラン藻P P O X 遺伝子を同定しようと方針を変更した。
Synechocystisは複数コピーのゲノムを持っているが、トランスポゾンをin vitroで導入したゲノム断片を用いて、組換えを起こさせることによって、ランダムに遺伝子を破壊することができる。しかし、単純にPPOX
遺伝子を破壊してしまうとその株はヘムやクロロフィ

図2 Chl aの代謝経路（後半）およびChl b、Chl cの代謝経路
Mg-Protoporphyrin IX monomethylester以降、Chl a, Chl bおよびChl cの代謝経路の概略図を示した。Chl aおよびChl bの相互転換の経路（緑色の枠内）は、緑色植物に存在すると考えられる。Chl cの代謝経路は珪藻や褐藻などに存在するが、図に茶色の枠で示した、F-DVRによって触媒される経路は、珪藻のみに存在すると考えられる（本文参照）。

ルを合成できずに死滅してしまうと予想された。そこ
で、我々はランダムな遺伝子破壊に先立って、シロイ
ヌナズナのhemY遺伝子をSynechocystisのゲノムに導入
し、PPOX遺伝子の破壊にも耐えられる（と予想された）株を作成した。その上で、シロイヌナズナの
PPOX酵素の阻害剤であるacifluorfenを培地に混ぜ、ラ分のラン藻が植物型とは異なるPPOXやDVRを有する

ンダムな遺伝子破壊を行ったSynechocystisの変異体プことを示唆している。もし、この仮説が正しければ、ールをスクリーニングした。PPOX遺伝子以外の必須

大部分のラン藻はどのようなPPOXやDVRを有してい遺伝子が破壊された株は、acifluorfenの有無に関わらるのであろうか？これらの酵素は、なぜ植物に受けず死滅し、必須でない遺伝子が破壊された株は、継がれなかったのであろうか？これらの疑問に答え

acifluorfenの有無に関わらず生育すると予想された。

るとともに、ラン藻のテトラピロール代謝への理解

そして、ラン藻本来の P P O X 遺伝子が破壊された株を深めるために、われわれは、ラン藻のPPOXとDVR

は、acifluorfenの存在下では死滅し、acifluorfenがなけの酵素の同定を目指した。

れば、(シロイヌナズナのhemY遺伝子のおかげで）無事に生育できると予想された。果たして、6 , 6 8 6株の3. 新しいスクリーニングのストラテジーで、ラ変異株をスクリーニングしたところ、acifluorfenに感ン藻 PPOX 酵素を同定する

受性を示す7株を単離することができた。これらの株はすべて slr1790 遺伝子の 21 bp 上流にトランスポゾ

我々がラン藻のPPOX酵素の同定を目指して研究を始める前に、2種類のP P O X酵素が別の生物で同定さンタグが挿入されていた。slr1790

遺伝子は機能未知れていた。１つはhemY遺伝子にコードされる55 kD前の24 kDの5回膜貫通タンパク質をコードしていた1-3)。

後のフラビン結合タンパク質で5)、phytoene desaturase

我々はslr1790遺伝子がPPOXをコードしていると考などと同じFADを結合するタンパク質のsuperfamilyにえ、野生型のSynechocystisでカナマイシン耐性遺伝子

属する 1 , 6 ) 。植物、緑藻、枯草菌などがこのタイプのカセットにより、slr1790遺伝子の破壊を試みた。しかし、この遺伝子はラン藻にとって必須であるよう

PPOXを持つことが知られていた。この酵素は、特にで、完全にslr1790遺伝子が破壊された株を分離する

農薬としてよく使われているacifluorfenなどの標的化ことはできなかった。複数コピーのゲノムのうち、一	99光合成研究22 (2) 2012

部のコピーで s l r 1 7 9 0 遺伝子が破壊された株は、

結果もやはり、HemJ が HemY, HemG と重複する機能

protoporphyrin IX の異常な蓄積が観察された（細胞中を有することを示唆している。

では protoporphyrinogen IX が蓄積していたが、色素のさらに、バクテリアゲノムにおけるhemJ遺伝子の分抽出時に空気中の酸素で酸化され、protoporphyrin IX

布を調べてみると、α-proteobacteria,

として検出されたと考えられる。）この結果は、bacteroidetesなどの門においても、hemJホモログが見slr1790遺伝子がPPOXの反応に関わっていることを示つかった3,4)。特に、bacteroidetesにおいては、ラン藻す。そこで、我々は、slr1790遺伝子をhemJ遺伝子とと同様にhemJ, hemY, hemGホモログとの排他的な分布。しかし、hemJ遺伝子がコードするタンが見られた3,4)。しかしながら、bacteroidetesでは、さパク質が単独でPPOXとして機能しうるのか、それとらにhemJ, hemY, hemGのいずれのホモログ遺伝子も持も、PPOXに必須なコンポーネントの一部であるのかたない生物種が見つかった3,4)。Bacteroidetesでは、未はこの時点では明らかではなかった。

同定の第 4 のタイプの P P O X が存在すると考えられ

命名した

1-3)

ε-proteobacteria,

る。

そこで、我々は、in vitro での hemJ 遺伝子産物のPPOX活性を調べようと試みた。しかし、いくつかの発現系を用いた試みはタンパク質発現がうまくいかな

5. なぜ3種類以上の異なるタイプのPPOXが存在

かったり、あるいは、活性を検出できなかったりするのかと、すべて失敗に終わったため、我々は、次に紅色HemJ, HemY, HemGという異なるタイプのPPOXが硫黄細菌Rhodobacter sphaeroides の hemJ 遺伝子ホモ存在する理由は明らかではない。一つの仮説は、最ログの組換えタンパク質を大腸菌で発現しようと試みも古いタイプのPPOXは嫌気的な酵素であり、好気的

た。h e m J遺伝子ホモログの発現は成功し、我々は精な環境には適していなかったが、ラン藻の出現によっ製したR. sphaeroidesのHemJタンパク質がPPOX活性をて地球上の酸素濃度が上昇することによって、新しい持つことを示すことができた。H e m Jタンパク質はアタイプのPPOX、すなわち、HemJ, HemY, HemGが同ッセイ系に電子受容体を加えなくても、活性を示し

時発生的に出現した、とする考えである。 ( H e m J ,たことから、我々は、HemJタンパク質が酸素を電子

HemY, HemGは好気的な環境でも、微好気環境でも機受容体とするのではないかと考えているが、この点に能すると考えられる3,7,8)。HemJ,

関しては、今後のさらなる研究が必要である。

HemYは酸素を電子受容体とすると考えられるので、絶対的嫌気環境では機能できないと予想される 3 , 5 ) 。）この仮説によれ4. hemJ遺伝子の分布

ば、遺伝子の水平移動によってhemJ, hemY, hemGはそ

hemJ遺伝子ホモログのラン藻のゲノムにおける分布の後バクテリア界に広まった、と考えられる。このを調べてみたところ、興味深い事実が明らかとなっ仮説の問題点は、ラン藻の大半は、h e m J遺伝子（ホた3-5)。現在、Microbial Genome Databaseに登録されてモログ）を有する、ということである。この事実

いる 4 0 種類のラン藻ゲノムのうち、 G l o e o b a c t e r

は、ラン藻が多様化する以前にh e m J遺伝子が出現しviolaceus PCC 7421のみ hemJ と hemY の2種類のホモたことを示唆しており、地球上の酸素濃度が上昇したログを持つが、他の39種類は、hemJ, hemY, hemG のう

結果、新しいタイプのPPOXが出現したとする仮説とち、いずれか一つのみを持つことがわかった。h e m J

矛盾するように見える。しかしながら、現存するラホモログを持つものが、34種類、hemYホモログを持ン藻が地球上の酸素濃度上昇のあとで多様化した種

つものが5種類、hemGホモログを持つものが2種類存である可能性も考えられるので、上記の仮説は十分に在する。hemJ, hemY, hemGのいずれも持たないラン藻検討に値すると思われる。この仮説を検討するためは存在しなかった。この結果は、HemJ, HemY, HemGには、想定されている古いタイプのPPOXを同定し、が同じ酵素活性を有し、これらのうち一つが存在す

このタイプのPPOXが生物界にどのように分布していれば、テトラピロール合成には十分である、というるのか、を調べる必要がある。なお、上記の 4 0 種類

ことを示唆しているように思われる。また、ラン藻ののシアノバクテリアのうちで、最も古いと考えられてゲノム上で、hemYホモログ、hemGホモログと排他的いるG. violaceus が hemJ, hemY ホモログを持つことかに分布している遺伝子は、h e m Jのみであった。この100

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ら、ラン藻にはもともと2種類のP P O X遺伝子が存在したと考えることもできるが、そう考えると、なぜ、
G. violaceus 以外のラン藻には2種類のPPOX遺伝子が受け継がれなかったのか、疑問が残る。筆者らは、今のところ、G. violaceus が遺伝子の水平移動によって、比較的に新しい時代にh e m Yホモログを獲得したのではないかと考えている。

6. ラン藻の3,8-divinyl chlorophyllide a 8-vinyl
reductase （DVR）の同定
クロロフィルの合成過程において、3位と8位のビニル基を持つ中間体（3,8-divinyl

chlorophyllide）の8位のビニル基がエチル基に還元される（3-vinyl

8-ethylchlorophyllide、図2）。前者がビニル基を2つ持ち、後図3 ゲノムの比較による遺伝子の選抜
ラン藻のゲノム比較によるF-DVR遺伝子の選抜のストラテジ
ーの概念をベン図で表した。ラン藻 D V R を同定するために、ゲノム配列が解読されている２０種類のラン藻の遺伝子（群）について、遺伝子の配列同士の総当たりのBLAST検索を行い、ホモログの有無によって、一つずつの遺伝子を分類した。 F - D V R を持たないと予想されるラン藻
Prochlorococcus（種A, B, Cと表記）のゲノムに存在せず、かつ、F-DVRを持つと予想されるラン藻（種a, b, cと表記）のゲノムに存在する遺伝子群は図のXの集合で表記される。実際の選抜の際には、この図のように単に遺伝子群を分類するだけでなく、BLAST検索の際の期待値(E-value)をもとに、予想される分布パターンにどれだけ近いかを（実際のパターンと予想されるパターンの）相関係数によって、比較した4)。

者がビニル基を 1 つ持つことから、前者が d i v i n y l(DV)-chlorophyllide、後者がmonovinyl(MV)-

c h l o r o p h y l l i d e と呼ばれている。 3 , 8 - d i v i n y lchlorophyllidea8-vinylreductase

(DVR)

がDV-

chlorophyllideをMV-chlorophyllideに還元する。冒頭にあげたすべてのクロロフィルにおいて、8位は必ずエチル基なので、クロロフィルを合成する生物はすべて
D V R活性を持つと考えられる。しかしその遺伝子は高等植物のクロロフィル合成系の遺伝子の中では同定されたのが最も遅く、2005年にシロイヌナズナの変異体を利用して報告された 1 ) 。ところがシロイヌナズナのD V Rと相同な遺伝子が多くのラン藻には存在しな

2 0 種類と、全ゲノム配列が読まれている 1 1 種類のかった。ラン藻も Chl a を持つため、当然DVRを持つ

Prochlorococcusの遺伝子を比較し、通常のラン藻、つはずである。このことからラン藻にはシロイヌナズナ

まりジビニル型のクロロフィルをモノビニル型のクロのDVRとは相同性のない新規なDVRが存在すると予ロフィルに還元できるラン藻にだけ共通して含まれる想された。

遺伝子の集合の中にラン藻特有のD V Rが存在するとそこで、ゲノム情報を利用することによりラン藻特予測した（図3）。その結果、その遺伝子の集合に存有のDVRの探索を行った。ラン藻はゲノムサイズが小在 す る 遺 伝 子 と して 、 モ デ ル 型 の ラ ン 藻 で あ る

さく、全ゲノム配列の読まれている種が多い。クロロ

Synechocystisにおいてslr1923と呼ばれている遺伝子がフィルを光合成色素として利用するほとんどすべての候補として挙がった。slr1923はF-420

光合成生物はモノビニル型のクロロフィルを利用してhydrogenaseと相同な遺伝子として登録されていた。そいるが、ラン藻の中には例外的にジビニル型のクロこでこの遺伝子の破壊株を作製したところ、DV-Chl

ロフィルを持つProchlorococcusと呼ばれるラン藻が存が蓄積したことからSlr1923がラン藻特有のDVRであ在する。Prochlorococcusは貧栄養な外洋では主要な光ると推測され4)、組換えタンパク質がDV-ChlをMV-Chl

合成生物であり、地球上での二酸化炭素の固定へのに還元できたことから（未発表）、この遺伝子がラ寄与も大きいことから、そのゲノムが精力的に調べらン藻特有のDVRであることが示された。

れている。ProchlorococcusはDV-ChlをMV-Chlに還元できないため、そのゲノム上にはDVRが存在しないはずである。全ゲノム配列が読まれている通常のラン藻	reducing101

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はN - D V Rを持つ緑藻類が存在していたと考えられることから、それらのN-DVRを取り込んだものと予測される。F-DVRに対してN-DVRの方が構造が単純であり、還元剤として安定なNADPHを使うという点だ
けから判断すると、N - D V Rの方が酵素として優れていると考えられる。

8.

7-hydroxymethyl

chlorophyll

a

還元酵素

（HCAR）の同定
ラン藻のF - D V Rが同定されたときに、シロイヌナ
ズナのゲノム上に相同な遺伝子(AT1G04620)が存在す
ることがわかった。シロイヌナズナN - D V R破壊株はMV-Chlを合成できないことから、N-DVRがシロイヌ
ナズナのDVR反応を担っていると考えられており、シロイヌナズナのF - D V Rホモログの機能は不明であっ
図4 ラン藻における二種類のDVRの分布
16S rRNAによりラン藻の系統樹を作製した。Gloeobacterが最も古いラン藻であると考えられている。ラン藻はD V Rにより、F-DVRを持つもの、N-DVRを持つもの、DVRを持たないものの三つに分類できる。N-DVRを持つものは系統的には遅く出現したものであることがわかる。またProchlorococcusはN-DVRではなくF-DVRを失って出現したと考えられる。

た。そこでF-DVRホモログの破壊株のクロロフィルを調べたところ、7-hydroxymethyl Chl a (HM-Chl a)が蓄積していた。HM-Chl aとはChl bがChl aに変換される
ときの中間体であり、Chl bの7位のフォルミル基がヒドロキシメチル基に還元されることによって合成される。Chl bは分解されるときにChl aに変換される必要があり、また光環境適応においてはChl bがChl aに変

7. DVRの多様性

換されて光化学系の集光装置の大きさを調節している

シロイヌナズナのDVRがNADPHを還元剤として利と考えられている。このようにChl bからChl aへの変用していたのに対し1)、SynechocystisのDVRはフェレ

換系は植物の生存に重要な役割を果たしていると考えドキシンを還元剤として利用することが示された（未られている。Chl bはChl b還元酵素によりHM-Chl aに発表）。そこで、シロイヌナズナのD V Rを還元剤の還元され、さらにHM-Chl a 還元酵素 (HCAR)により

NADPHに基づいてN-DVR、SynechocystisのDVRをフChlェレドキシンに基づいてF-DVRと呼ぶこととする。F-た生化学的な実験からその存在が知られていたが 9) 、D V RはN - D V Rとは全くアミノ酸配列の相同性がな

その遺伝子は同定されていなかった。F-DVRホモログ

く、F-DVRはフラビンのFADが結合し、鉄硫黄センタの破壊株がHM-Chl

ーを持つと予測される点もN-DVRと異なる。

モログがHCARの遺伝子であると予測しその組換えタaに還元される。HCARは単離プラスチドを用いaを蓄積したことから、F-DVRホ

多くのラン藻はF - D V Rを持つが、一部の海洋性ランパク質を作製し酵素活性を測定した。その結果HM-

ン藻SynechococcusはN-DVRを持つ。それらの中の一

Chl aがChl aに還元され、AT1G04620がHCARである

つSynechococcus

WH8102のN-DVRの組換えタンパクことが示された10)。HCARもラン藻のF-DVRと同じく質を調べたところ、確かに D V R 活性が検出された

フラビンを持ち、フェレドキシンを還元剤として使用（未発表）。よって、ラン藻の中には二種類のD V Rする。

が存在することになる。なお、これまで全ゲノムが解DVRはビニル基をエチル基に還元し、HCARはヒド

読されたラン藻の中にはF-DVRとN-DVRの両方を持

ロキシメチル基をメチル基に還元する。 F - D V R と

つものはなく、逆にProchlorococcus以外は必ずどちらH C A R はアミノ酸配列の相同性が高いにもかかわらか一方を持つ。ラン藻の系統樹の上では、N - D V Rをず、なぜ、この2つの酵素の行う反応は異なるのであ持つラン藻は最近進化してきたと考えられる 8 ) （図ろうか。F-DVRとHCARの詳細な反応機構が明らかに4）。これらのラン藻が出現したときには、海洋中になると新規な知見が得られると期待される。なお、

102

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SynechocystisのF-DVRの組換えタンパク質はDVR活性だけでなく H C A R 活性も持つが、シロイヌナズナの
HCARの組換えタンパク質にはDVR活性は検出されていない(未発表)。

9. DVRからHCARへの進化
大部分のラン藻はクロロフィルとしては Chl a しか持たないため、Chl bの分解物であるHM-Chl aをChl aに還元する反応は必要ない。進化の過程で、一部のラン藻がChl bを利用するようになり、Chl bを分解しなければならなくなった時、F-DVRをHCARとして使いまわし、DVRとしては新たにN-DVRを獲得したのではないだろうか。（このように2種類のDVRを持つ

図5 ラン藻および真核光合成生物におけるDVRの分布
生物のあとのカッコ内に、その生物がもつ代表的なクロロ
フィルを示した。

ラン藻はあくまで遷移的に出現し、現存しないのではないかと考えている。）Chl b を持つ真核型の緑藻はすべてHCARとN-DVRを持っている。Chl b の分解ているThalassiosira pseudonanaはChl c1とChl c2を持の最初の反応は Chl b のフォルミル基をヒドロキシメ
チル基に還元することである。この反応を行うChl

つ。Chl c1はChl c 2の8位のビニル基がエチル基に還元bされることにより合成される。この部分は通常の還元酵素はshort-chain dehydrogenase/reductaseドメイン

DVRによる反応と同じである。この珪藻のゲノム上にを持つ酵素である11)。このドメインを持つ酵素は多数

N-DVRとともにF-DVRと相同な遺伝子が見いだされ存在するため、Chl b 還元酵素を作り出すことは必ずる。珪藻のF - D V Rはアミノ酸配列の系統樹を描くとしも困難ではなかったと考えられる。Chl b 還元酵素

ラン藻のF-DVRと植物等のHCARの間にある10)。珪藻ができれば、次のヒドロキシメチル基からメチル基へは Chl b を持たないためヒドロキシメチル基をメチルの還元はもともと持っていたF - D V Rが行うことがで基に還元する必要がなく、珪藻の持つF-DVRがHCARきた。このことから、Chl b の分解経路を獲得するこであるとは考えられない。珪藻のN-DVRがDV-Chlはとは比較的容易であったと考えられる。Chl b を光合還元できるが Chl c2 は還元できないこと、およびラン

成色素として使い始めたとき、光環境の変化に対応し藻のF-DVRは Chl c2 の還元もできることが、それぞれてChl b を分解しなければならなかったと考えられるの組換えタンパク質によって確認されている ( 未発が、Chl b の分解経路の獲得が比較的容易であったこ

表)。よって、珪藻においてはN-DVRが Chl a の合とはChl b を光合成色素として使う点においても有利

成、F-DVRが Chl c1 の合成に利用されていると推測さであったと考えられる。また、現在 Chl b の分解経路れる。ただし、褐藻の Ectocarpus siliculosus など、全を持たない緑藻が見つかっていない理由も、Chl b のゲノムが読まれている Chl c1 を持つ藻類の中にはF-

分解経路の獲得が容易であり、Chl b 合成能の獲得後

D V Rと相同な遺伝子が存在しないものもある。これ速やかにその分解能も獲得したためであると推測でまでのところ Chl c の合成にかかわる遺伝子についてきる。

は何も報告がなく、多様性に富む可能性もある。

10. 珪藻のF-DVRと相同な遺伝子11. 残された課題

珪藻は、紅藻が真核生物に共生して誕生したと考えラン藻が真核生物に共生して葉緑体となり、Chl

られている12)(図5)。Chl bは持たないが、Chl aとともを獲得したときにそれまでChl aの合成のために使っに補助色素としてChl cを持つ。Chl cは17-18位が還元ていたF-DVRをChl bの分解のために使いまわしたこ

されずに二重結合のままであること、および 1 7 位にフィチル基がついていないことが特徴である。Chlとが明らかとなった。また、Chlccを獲得したときは、その合成に使われるようになったことが推測さにはいくつかの種類があり、全ゲノム配列の報告され

	

b

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れた。どちらの場合も、もともとF - D V Rが行っていい。このように現時点では特徴がないと考えられる

た反応は新たに獲得したN-DVRが代用するようにな

DVRになぜこのような多様性があるのか謎である。

ったと考えられる。これらの結果より、クロロフィル
代謝系の進化の一部が明らかになったと考えられ( 3 )なぜラン藻は自分の持っていない色素を代謝でき

る。

るのか

しかし、これらの結果において、以下のような課題

ラン藻はChl bを持たないにもかかわらず、Chl b関が残されている。

連色素であるHM-Chlaを代謝できることが明らかとなった。なぜラン藻にこのような能力があるのか謎(1) なぜ2種類のDVRが存在するのかである。ラン藻のF-DVRがHCAR活性を有していたことは単なる偶然かもしれないが、緑藻や高等植物がDVRにN-DVRとF-DVRが存在することが明らかとなったが、このような多様性のある理由が不明であ

補助色素としてChlる。現時点ではD V Rの行う反応が、クロロフィル合的にかかわっていた可能性も考えられる。

bを選択する過程にF-DVRが間接成の律速段階であったり、調節を受けているという報告はない。ラン藻においては、系統樹からはもと(4)なぜ褐藻はF-DVRを使わないのか

もとはF-DVRを持っていたものが、後発的にN-DVR

珪藻のChlcの合成にはF-DVRと相同性のある遺伝を獲得したと推測されるが、N-DVRを持つラン藻に子がかかわっていると推測される。珪藻は、紅藻が特徴的な点は見られない。なお、F - D V Rの欠損した二次共生して誕生したと考えられている。紅藻はクロSynechocystisにシロイヌナズナのN-DVRを導入したとロフィルとしてはChl aしか持たない。全ゲノム配列のころ、F - D V Rの欠損を相補した。通常の培養条件下報告されている原始紅藻Cyanidioschyzonのゲノム上にではN-DVR導入株は成長速度などに野生株との差異

はF-DVRと相同な遺伝子が存在し、N-DVRと相同なは見られていない(未発表)。

遺伝子はない。このことより、ラン藻が一時共生に
より紅藻になった時、F - D V Rをそのまま使い続けた(2)なぜ光合成細菌のDVRは光合成関連遺伝子のクラと考えらえる。しかし、紅藻が共生して誕生したと考スターに入っていないのか

えられる、Chl cを持つ褐藻はN-DVRのみを持つ。珪光合成細菌のD V Rにおいても特徴的な点が見られ藻や褐藻のN-DVRの組換えタンパク質からはChl c2をる。クロロフィル合成系の遺伝子の同定は、光合成細還元してChl c1を合成する活性は検出されていない。

菌の研究が中心となって進められた。光合成細菌に褐藻がなぜChl cを代謝できるF-DVRを失いN-DVRをおいてはクロロフィル合成系の遺伝子がクラスターを獲得したのか不明である。

作っていることがあるため、クラスター内の遺伝子の5. おわりに

破壊株を作製することにより合成系の遺伝子が同定できるためである13)。光合成細菌はクロロフィルではなくバクテリオクロロフィルを持つが、Chlラン藻のPPOXとDVRの同定をきっかけとして、多aまでの様なタイプのPPOXとDVRが存在することが明らかに合成系はほとんど共通している。そのため、光合成細なった。F - D V Rは広い基質特異性を有し、このこと菌の遺伝子の情報を利用して高等植物のクロロフィル

が、植物のChl b代謝、珪藻のChl c合成を可能にした合成系の遺伝子が同定されていった。しかし光合成細と考えられる。PPOXやDVRについては、現在は、一菌において、DVRはバクテリオクロロフィル合成系のつの生物は一つのタイプのみを持っているケースが多遺伝子のクラスターの中に存在しなかった。D V Rにい。しかし、遺伝子の水平移動が非常に頻繁に起こ関しては植物が先行し、その後光合成細菌のD V Rがっていることを考えると、遺伝子を交換できる生物間。なぜDVRにおいて、複数のタイプの酵素の存在は、一種の「酵が他の光合成関連の遺伝子と挙動が異なるのか不明

素のレポジトリ」と言えるのではないだろうか？そである。また、光合成細菌においてもN - D V Rを持つして、その酵素が水平移動を通じて他の生物に移動しものとF - D V Rを持つものが存在する。嫌気性、好気うることが、代謝経路の選択肢を広げ、代謝の多様化

性のような酵素の特性としての相違は見出されていなにつながったのではないか？ PPOXやDVRの研究は、同定された理由の一つはこの点にある

14,15)

104

光合成研究22 (2) 2012
5. Koch, M. et al. (2004) Crystal structure of
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クロロフィル代謝についての知見を提供するのみでな
く、代謝経路の進化について新しい知見を与えてくれ
るのではないだろうか？

謝辞
本稿で紹介したラン藻のprotoporphyrinogenIXo x i d a s e の研究は、日本曹達株式会社の保坂秀夫博
士、加登一成博士との共同研究である。また、6節で解説したラン藻ゲノムの比較アルゴリズムは横野牧生
博士（現神戸大学）によって開発された。

Received July 3, 2012, Accepted July 27, 2012, Published
August 31, 2012参考文献
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Synechocystis sp. PCC6803, J. Biol. Chem. 283, 9002–
9011.

How Did the Chlorophyll Biosynthetic Pathways Get Diversified?
Hisashi Ito1,2, Ayumi Tanaka1,2 and Ryouichi Tanaka1,2*
1Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University

2Core Research for Evolutionary Science and Technology, Japan Science and Technology Agency	105