年も明けて，連日スポーツ紙の一面を「SM ○ P分裂」の言葉が飾っているが，どうやら複雑な事情がありそうだ。そもそも奇数のメンバーでは，二分裂するのにどうもバランスが悪い。まぁ芸能ゴシップはスポーツ紙にまかせて,今回の薬類学最前線ではバランスのとれた“色茶体分裂”について紹介する。藻類の細胞が分裂する際，核やミトコンドリアと同様に色茶体も必ず娘細胞に引き継がれる。これは，色茶体の分裂が細胞周期を通して削御されているからで，もしも削御が不十分ならば半藻半獣の原生生物ハテナ（Hatena arenicola）の様に色茶体を持たない娘細胞が生じてしまう（Okamoto & Inouye 2005,  2006)。光合成生物にとって細胞分裂に伴う色茶体分裂の制御は，生きるために非常に重要であり，本稿では最新の知見を基に色茶体の分裂制御機構と，その進化過程について説明する。
シアノバクテリアと一次色素体の分裂様式
植物や一部の藻類（緑藻や紅藻，灰色藻）のもつ一次色茶体は，光合成細菌であるシアノバクテリアの細胞内共生を起源とすることは広く知られている。そのため，一次色茶体とシアノバクテリアの間には多くの共通点があり,その一つが分裂様式である。シアノバクテリアの細胞はペプチドグリカン層をはさむ２枚の細胞膜に囲まれている。細胞分裂期には，分裂面において細胞内膜の収縮，ペプチドグリカン層の新規合成が行われ，細胞外膜は内膜に遅れて分裂する。分裂面の内膜内側では，チュープリン様タンパク質であるFtsZが収縮性のリング構造（Zリング）を形成し，そのZリングの位置決定にはMinC， MinD， MinEのタンパク質が関与している(Mazouni et al. 2004)。また，ペプチドグリカン層の分裂に関わるタンパク質としてDipMやFtsI,  FtsWなどが知られている(Miyagishima et al. 2005, 2014a)。一次色素体では，分裂面において色素体包膜の内外に電子密度の高い２つのリング検構造（PDリング）が観察されており，これが包膜の収縮に関与するとされている(Kuroiwa et al. 1998)。内膜の内側に形成されるPDリングの近傍にはシアノバクテリアと同様にFtsZタンパク質がＺリングを形成し，外膜の外側のPDリング周縁には，真核生物の細胞膜から小胞が切り離される際に重要な働きをするダイナミンに類似したタンパク質, DRP5Bがリング状に局在する(Miyagishima et al. 2011,  Osteryoung & Pyke 2014)。外膜では, PDリングに結合したDRP5Bがリング機雑をスライディングさせることで収縮力が生まれると考えられている（Yoshida et al. 2006)。一次色茶体の分裂装置は，共生者と宿主の由来の異なるタンパク質のハイブリッドで構成されており，外膜分裂装置は緑藻と紅藻の共通祖先で獲得されたと考えられている(Miyagishima et al. 2014b)。それでは,どのように一次色茶体の分裂は細胞周期を通して削御されているのだろうか？それぞれの業類グループで詳しく見ていこう。緑藻では，陸上植物で報告されている主要な色素体分裂タンパク質(FtsZ, ARC6, MinC, MinD, MinE, DRP5B）の多くが保存されている。単細胞緑藻Chlamydomonas reinhardtiiでは，色茶体分裂タンパク質は全て核ゲノムにコードされており，細胞周期を通して転写レベルで発現制御されている(Miyagishima et al. 2012)。細胞分裂開始前のS期にこれらの遺伝子の発現が上昇して，分裂面にリング状の分裂装置が形成される。色茶体分裂後には，分裂タンパク質は速やかに分解されるため，Zリングなどは色茶体分裂期にのみ観察される。一部の緑藻では，MinDタンパク質が色素体ゲノムにコーどされていることが知られている。Chlorella vulgarisとMesostigma virideにおける解析によると，核コード色素体分裂遺伝子の発現は細胞周期を通してS期に限定されているが，興味深いことに，色茶体コードのMinDは細胞周期を通して一定量存在していた（Miyagishima et al. 2012)。さらに， C. vulgarisのminD遺伝子は，細胞周期ではなく，光環境により発現変動することも報告されている(Miyagishima et al. 2012)。これらのことから，細胞内共生による一次色茶体獲得の初期過程で，色茶体分裂遭伝子の多くは宿主核ゲノムへと転移しており，その際，宿主の細胞周期に同調した発現制御機構を獲得したと考えられる。一方，色茶体ゲノムに残っている分裂遺伝子に関しては，細胞周期に依存した発現制御機構を持たないことが示唆されている。灰色藻の一次色素体は，共生シアノバクテリアの構造的な特徴を色濃く残しており，他の一次色茶体では見られない明瞭なペプチドグリカン層を現在も保持している。灰色漢の一種Cyanophora paradoxaの全ゲノム配列から，色茶体内膜の分裂装置の関連タンパク質であるFtsZ,  ARC6, MinD,  MinEに加え, ペプチドグリカン層の分裂関連タンパク質であるFtsI,  FtsW,  DipMの遺伝子をもつことが知られている(Miyagishima et al. 2014a)。一方，色茶体外膜にはPDリングが観察されず，DRP5Bも欠いていることから，灰色藻の一次色茶体はより原始的な分裂様式をもつとされている（Sato et al. 2009, Miyagishima et al. 2014b)。緑藻と同様に灰色藻でも、多くの色茶体分裂タンパク質は核ゲノムにコードされており(FtsWのみ色茶体コード)，細胞周期を通した発現量解析により，MinD, MinE,  DipMタンパク質の発現はＳ期に限定されていることが明らかとなっている(Miyagishima et al. 2012)。緑藻と異なる点は，核コードのFtsZタンパク質の発現レベルが細胞周期を通して一定であることだ(Miyagishima et al. 2012)。このことは、核ゲノムへと転移した色素体分裂遺伝子の全てが宿主の細胞周期に同調した発現制御機機を獲得するわけではないことを示唆している。ペプチドグリカン層の分裂に関しても，最近新たな知見が報告されている。DipMタンパク質は,  Cyanophoraの一次色素体やシアノバクテリアの分裂面にリング状に局在しており，ペプチドグリカンの加水分解に関わる重要な役割をもつ（Miyagishima et al. 2014a)。興味深いことに，明瞭なペプチドグリカン層を持たない緑色植物のいくつかの系統でもdipMの相同遺伝子が発見されており,ヒメツリガネゴケを用いた解析では、 dipMの突然変異体で色素体の分裂が阻害されることが報告されている(Miyagishima et al. 2014a)。このことから，一部の一次色素体で潜在的なペプチドグリカン層の存在が示唆されていたが，ごく最近に平野ら(2015)は、ヒメツリガネゴケの色茶体で，電子顕微鏡では観察できないペプチドグリカン層を蛍光標識することに成功している。紅藻は色素体分裂の研究が最も進んでいる藻類で, Cyanidioschyzon merolaeで多くの知見が報告されている。これは，本藻において色素体の分裂同調と分裂装置の単離精製が可能であることに起因する（Yoshida et al. 2006)。 Cyanidioschyzonの核ゲノムには，色茶体分裂タンパク質をコードするFtsZとDRP5Bの遺伝子があり，それぞれの発現は細胞周期を通してS期に限定されている(Miyagishima et al. 2012)。一方、Ｚリングの位置決定因子であるminC, D, E遺伝子を全て欠いており, FtsZが分刻面に局在する機構に関しては未だ明らかでない。色茶体より単離したリング状の分裂装置の分析から，電子密度が高い構造として観察されていたPDリングがグルカンの鐵維束で構成されることが明らかとなり,またPDリングに結合している新規分裂タンパク質として多糖合成に関与するグリコゲニン様のPDR1（(plastid division ring 1）が同定された（Yoshida et al. 2010)。このPDR1によるPDリングのグルカン合成が紅藻の一次色素体分裂に重要であることが示唆されているが，緑藻や灰色藻の核ゲノムからは、PDR1に相同な遺伝子が発見されておらず、一次色素体全体での普遍性は明らかでない。
二次色素体の分裂様式
漢類の中には，緑漢や紅漢を細胞内に取り込むことにより二次色茶体を獲得したグループがいる。一次色茶体が２枚包膜なのに対して，多くの二次色素体は４枚の包膜を持っており（ユーグレナ藻と多くの渦鞭毛藻は３枚),さらに一部の漢類では色茶体最外膜が小胞体や核膜と連結しているため，二次色茶体の分裂装置は複雑化している可能性が予測される。透過型電子顕微鏡観察により，不等毛藻の二次色茶体では，分裂面において内膜２枚と外膜２枚の間に隙間があり，内側から2枚目の包膜外側に電子密度の高いPDリング構造があることが明らかになっている（Hashimoto 2005）。既にゲノム配列の解読されている不等毛藻（Phaeodactylum tricornutum,  Thalassiosira pseudonana,  Aureococcus anophagefferens) において，一次色素体のFtsZとDRP5Bの相同遺伝子が発見されており(Miyagishima & Kabeya 2010, Hirakawa & Ishida 2015), 珪藻Seminavis robustaにおいて, FtsZの遺伝子発現が細胞分裂前に上昇することが報告されている(Gillard et al. 2008)。これらのことから、不等毛藻の二次色素体の内膜２枚は，一次色素体と類似した分裂様式をとることが推察される。一方，外膜２枚の分裂に関しては全く情報がないが，内膜２枚とは独立した分裂装置が存在すると考えられる。その他の藻類では，ハプト藻Emiliania huxleyiか,  FtsZ,  DRP5B,  MinD,  MinEの4つ，クリプト薬Guillardia thetaが,  FtsZ,  MinD,  MinEの３つの一次共生藻由来の遺伝子をそれぞれもっており(Miyagishima & Kabeya 2010),色茶体内膜２枚の分裂に関与していると推察されている。しかし，G. thetaでは, MinDとMinEは色素体ゲノムに， FtsZは共生紅藻の痕跡的な核であるヌクレオモルフにコードされており,どのように宿主の細胞周期で色茶体分裂が制御されているのかは全くの謎である。退化的な二次色茶体“アピコプラスト”をもつアピコンプレクサ寄生虫Toxoplasma gondiiでは, FtsZやDRP5Bなどの一次共生藻由来の分裂遺伝子を完全に欠くが，４枚包膜の外側に局在する分裂関連タンパク質DrpAが同定されている（van Dooren et al. 2009)。DrpAはDRP5Bと同様のダイナミン様タンパク質であるが，遺伝子の起源は大きく異なり，他の藻類では見られないアピコンプレクサ特有のものであった。アピコンプレクサでは,一次共生藻由来の分裂装置が失われ，新たに獲得した外膜の分裂装置が4枚すべてのアピコプラスト包膜の分裂に関与していると考えられる。上述のように二次共生で新たに獲得した色素体外膜に関しては，分裂様式や分裂装置がほとんど解っておらず，今後の研究進展が待たれる。
クロララクニオン藻の二次色素体分裂
最後に，私のグループで研究しているクロララクニオン漢の二次色素体の分裂に関して紹介する。本漢は緑漢由来の二次色素体をもち,その内膜２枚と外膜２枚の間のスペースには共生緑藻の痕跡核であるヌクレオモルフが存在する(Hirakawa 2014)。二次色茶体の形態は少しくびれた二葉性で，中央部分には突出したピレノイドが見られる。微細構造レベルで見ると，細胞周期を通して４枚の色素体包膜のうち，内側２枚がピレノイド内部に部分的に陥入している（図1）。これまでクロララクニオン藻の一種Bigelowiella natansにおいて，ヌクレオモルフ，二次色茶体，核，細胞質の順で分裂することが観察されているが(Moestrup & Sengco 2001),詳しい二次色素体の分裂様式，細胞周期を通した分裂制御機構に関しては明らかでないっ最近，我々はクロララクニオン藻の二次色素体の分裂に関与する核コードタンパク質に関する報告を行った。本研究では,  B. natansの全ゲノム配列に対する相同性検索により同定された一次共生藻由来のFtsZにおいて，タンパク質の細胞内局在解析と細胞周期を通した発現解析を行った(Hirakawa & Ishida 2015)。免疫電子顕微鏡による局在解析の結果,  FtsZタンパク質は問期の細胞で, 二葉性色素体中央の最内膜の内側でリング状に局在していることが示された（図1)。さらに,ピレノイド内に陥入する色茶体内膜の先端部分にもFtsZの局在が観察された（図1)。一次色茶体同様に，クロララクニオン藻の二次色茶体でもFtsZタンパク質が色素体内でZリングを形成し、色素体内膜2枚の収縮に関与することが示唆された。また，Zリングの収縮は不完全であり，これがピレノイド内への部分的な内膜陥入を引き起こすと推察された。細胞周期を通した遺伝子発現解析では，細胞質分裂後にFtsZの転写レベルが上昇していた。細胞質分裂開始前に二次色素体が分裂することを踏まえて考えると， FtsZの発現時期と二次色素体の分裂時期には，大きなズレがあった（図2)。このことから以下の様なモデルが考えられる。細胞質分裂後ほどなく形成されるＺリングは，色素体内膜２枚の不完全な収縮を行い停止する（図2)。細胞周期が進み，細胞質分裂開始前には，色茶体外膜２枚を含む４枚の包膜が分裂すると考えられるが、ここでのFtsZ局在に関する情報はなく， Zリングが二次色茶体分裂に関与しているかは不明である（図2)。他の藻類と同様にクロララクニオン藻においても，色茶体分裂機構の進化を理解するためには，色茶体外膜２枚の分裂装置の解明が重要な鍵をにぎると思われる。クロララクニオン藻のもつピレノイドの形態的多様性についても少し触れる。興味深いことに，クロララクニオン漢のピレノイドへの内膜陥入は，属ごとに様式が異なっており、分類形質として用いられている(Ishida et al. 1999)。 Bigelowiella属とNorrisiella属は浅い板状の陥入,  Lotharella属とAmorphochlora属は深い板状の陥入, Chlorarachnion属はヌクレオモルフを含む深い陥入,そして例外的にGymnochlora属では，最内膜のみのチュープ状の陥入をもつ。ピレノイドへの内膜陥入にＺリングが関与していることから、Zリングの収縮度合はクロララクニオン薬の属ごとに異なっており，結果として内膜の陥入様式の多様性につながったと我々は考えている。これを明らかにするためにも，複数種のクロララクニオン藻でのFtsZタンパク質の局在解析が今後必要となる。