科学研究費助成事業 研究成果報告書：若手研究(B)2015-2017課題番号 : 15K1858

Yoshihisa HIRAKAWA

平川 泰久

Tsukuba Repository

核による二次葉緑体の分裂制御機構の解明
著者 平川 泰久
発行年 2018
URL http://hdl.handle.net/2241/00158946
筑波大学・生命環境系・助教
科学研究費助成事業　　研究成果報告書
様　式　Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９ （共通）
機関番号：
研究種目：
課題番号：
研究課題名（和文）
研究代表者
研究課題名（英文）
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）
１２１０２
若手研究(B)
2017～2015
核による二次葉緑体の分裂制御機構の解明
Genetic control of plastid division in chlorarachniophytes
４０６４７３１９研究者番号：
平川　泰久（HIRAKAWA, Yoshihisa）
研究期間：
１５Ｋ１８５８２
平成 年 月 日現在３０   ６ １３
円     2,400,000
研究成果の概要（和文）：本研究では、微細藻類であるクロララクニオン藻を用いて、細胞周期を通して葉緑体
やヌクレオモルフ（葉緑体に付随する核）の分裂がどのように制御されているのか、またその制御機構がどのよ
うに進化してきたのかを明らかにした。葉緑体の内膜分裂関連タンパク質やオルガネラDNAの複製関連タンパク
質を新たに発見し、それらの遺伝子の進化過程を考察した。
研究成果の概要（英文）：I have investigated the mechanism and evolution of organelle division and 
organelle DNA replication in the secondary plastid-bearing algae, chlorarachniophytes. I newly 
identified several proteins for constriction of the inner plastid membranes and for replication of 
plastid, mitochondrial, and nucleomorph DNA. I have discussed the evolution of those proteins based 
on molecular phylogeny.
研究分野：進化生物学
キーワード： 葉緑体　オルガネラ　分裂　DNA複製　藻類
  １版
様 式 Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９、ＣＫ－１９（共通） 
１．研究開始当初の背景 
今から数十億年前に、ある従属栄養性の原
生生物がシアノバクテリア（光合成性原核生
物）を細胞内に取り込む「細胞内共生」によ
り葉緑体は誕生した。これを一次共生と呼び、
陸上植物や緑藻、紅藻の葉緑体はこの一次共
生に起因する。さらに、他の原生生物が緑藻
や紅藻を細胞内に取り込む「二次共生」によ
り非常に多様な藻類が二次葉緑体を獲得・進
化してきたと考えられている。申請者が研究
に用いたクロララクニオン藻は、緑藻起源の
ユニークな二次葉緑体をもつ海産の単細胞
性藻類である。 
細胞内共生の成立過程で、取り込まれた生
物（共生者）のもっていた遺伝子の多くは失
われ、一部の遺伝子に関しては取り込んだ生
物（宿主）の核へと転移した。一次共生では、
共生シアノバクテリアから宿主の核へと遺
伝子転移が起こり、二次共生では共生者の核
から宿主の核へと遺伝子が移動した。これに
より、共生者は宿主核遺伝子の制御下におか
れたオルガネラへと進化した。多くの二次葉
緑体では、共生者の核は完全に消失している
が、クロララクニオン藻の二次葉緑体には共
生緑藻の痕跡的な核であるヌクレオモルフ
が現在も見られる。このことから、本藻は二
次共生の中間段階に位置する生物として着
目されている。 
 
２．研究の目的 
本研究では、宿主核による二次葉緑体の分
裂制御機構の解明に取り組んだ。1細胞内に
1つの葉緑体しかもたない単細胞性藻類では、
葉緑体分裂は核コードタンパク質にコント
ロールされており、二分裂した葉緑体は娘細
胞へと正確に引き継がれる。この分裂制御機
構の獲得が、葉緑体のオルガネラ化に重要で
あったと考えられる。クロララクニオン藻の
二次葉緑体は、ヌクレオモルフをもつことか
ら、植物の葉緑体とは異なる分裂制御機構を
もつことが予測されるが、明らかではなかっ
た。本研究では、クロララクニオン藻が、二
次葉緑体やヌクレオモルフ、ミトコンドリア
を含めたオルガネラをどのように細胞内で
制御しているのかを明らかにし、細胞内共生
によるオルガネラの進化過程を考察するこ
とを目的とした。主に「二次葉緑体の分裂装
置」と「オルガネラDNA複製」の2つの視点
から、二次葉緑体の分裂制御機構の解明にア
プローチした。 
 
３．研究の方法 
（１）陸上植物の葉緑体分裂は、2枚の葉緑
体包膜上に形成されるリング状の分裂装置
（外膜/内膜リング）の収縮により起こる。
これまで報告されている陸上植物の葉緑体
分裂装置を構成するタンパク質は全て核遺
伝子にコードされており、内膜リングの構成
タンパク質はシアノバクテリア由来、外膜リ
ングの構成タンパク質は宿主起源の遺伝子
にコードされている。一方、クロララクニオ
ン藻の二次葉緑体は2枚の包膜をもち、分裂
装置は不明であった。本研究では、全ゲノム
配列が解読されているクロララクニオン藻
の一種Bigelowiella natansを用いて、葉緑
体分裂関連遺伝子の新規同定を試みた。陸上
植物などで同定されている分裂関連遺伝子
に相同性のある遺伝子をB. natansのゲノム
中から探索し、免疫抗体法を用いてそのタン
パク質の詳細な細胞内局在を解析した。また、
明暗周期で分裂同調したB. natans細胞と次
世代シークエンシングを用いて網羅的遺伝
子発現解析を行い、発現パターンから葉緑体
分裂関連遺伝子の推定を試みた。 
 
（２）クロララクニオン藻の細胞内には3つ
のオルガネラ DNA（葉緑体 DNA、ヌクレオモ
ルフ DNA、ミトコンドリア DNA）が存在して
いる。それらのオルガネラゲノムでは、DNA
複製に関与する遺伝子が欠落しており、宿主
核の遺伝子がオルガネラDNA複製を制御して
いると考えられていた。しかし、その実体は
明らかでなかった。本研究では、タンパク質
の輸送シグナル配列などから、オルガネラで
機能する DNA複製タンパク質の推定を行い、
GFP（緑色蛍光タンパク質）タグを用いて細
胞内局在解析を行った。また、分子系統解析
によりそれらの遺伝子の進化過程を考察し
た。 
 
４．研究成果 
（１）クロララクニオン藻の全ゲノム配列よ
り、既知の葉緑体分裂関連遺伝子と相同性の
あるものを探索した結果、2つのFtsZ遺伝子
（FtsZD-1, FtsZD-2）を同定した。それぞれ
に特異的な抗体を作成して、免疫電子顕微鏡
により詳細な細胞内局在解析を行ったとこ
ろ、どちらの FtsZタンパク質も、二次葉緑
体の最内膜で、リング状の構造を形成するこ
とが明らかとなった（図1）。リングの一部は、
突出したピレノイド内を通過しており、ピレ
ノイド先端で陥入する内膜に沿って局在し
ていた。 
図1:FtsZタンパク質の局在 
 
細胞周期を通して葉緑体分裂期以外でも、
FtsZリングとピレノイド部分の内膜陥入は
観察されたことから、クロララクニオン藻の
FtsZは内膜を部分的に縊ることができるが、
葉緑体分裂には直接関与していないことが
示唆された（Hirakawa & Ishida 2015）。植
物などの葉緑体では、FtsZが分裂装置の中核
を担うのに対して、クロララクニオン藻の二
次葉緑体では他のタンパク質が分裂を制御
している可能性が示唆された。 
 
（２）明暗周期で分裂同調したB. natans細
胞を用いて、網羅的遺伝子発現解析を行った
結果、21,706個の核遺伝子の内、7,751遺伝
子（約 35%）が細胞周期で発現変動すること
が明らかとなった。この発現変動する核遺伝
子の中から、ヌクレオモルフのDNA複製に関
与する4つの遺伝子を同定し、ヌクレオモル
フDNAの複製が核遺伝子に制御されているこ
とを示した（図2）。 
 
図2:ヌクレオモルフに局在するタンパク質 
 
中でもDNA複製酵素であるDNAポリメラー
ゼは、ウイルスの配列に類似していることが
分子系統解析により明らかとなり、ヌクレオ
モルフのDNA複製に重要な遺伝子が、ウイル
スからの水平伝播により進化してきたこと
が推察された（Suzuki et al. 2016）。 
 
（３）一般的に植物や緑藻、紅藻のミトコン
ドリアと葉緑体のDNA複製は1種類のDNAポ
リメラーゼ（POP）により制御されている。
本研究では、クロララクニオン藻からPOPに
相同な遺伝子の探索を行い、系統的に異なる
2種類の POP配列を発見した。それぞれのタ
ンパク質の細胞内局在を解析すると、POP1は
ミトコンドリアに、POP2は葉緑体に局在して
いた。これにより、本藻が植物などは異なる
オルガネラDNA複製機構を進化させてきたこ
とが明らかとなった（学会発表③④⑤）。 
 
（４）植物などの葉緑体では、葉緑体内膜の
FtsZリングと葉緑体外膜上に形成されるダ
イナミン様タンパク質を主成分とするリン
グ状構造により分裂が行われる。しかし、二
次葉緑体では外膜リングを構成するタンパ
ク質はこれまで発見されていない。本研究で
は、クロララクニオン藻がもつ5つのダイナ
ミン様タンパク質に着目して、外膜リング構
成タンパク質の解明を試みた。分子系統解析
の結果、植物の葉緑体で働くダイナミン様タ
ンパク質に近縁なものは、クロララクニオン
藻には無かった。一方、クロララクニオン藻
に特有なダイナミン様タンパク質において、
抗体を用いて細胞内局在を観察した結果、葉
緑体から突出するピレノイド周縁部に局在
するダイナミン様タンパク質を発見した。こ
のタンパク質が二次葉緑体分裂に関与する
のかは未だ不明であるが、今後の研究で明ら
かにしていく。 
５．主な発表論文等 
 
〔雑誌論文〕（計 ４件） 
①平川 泰久 (2017) クロララクニオン藻の
色素体制御機構、BSJ-Review、Vol8:169-174
（査読有り） 
DOI:10.24480/bsj-review.8d1.00126 
 
②Yoshihisa Hirakawa, Takuro Nakayama, 
Nadine Keilert, Ken-ichiro Ishida (2017) 
Evolution of UhpC-type hexose-phosphate 
transporters in dinoflagellates. 
Phycological Research 65:166-170（査読有
り） 
DOI:10.1111/pre.12164 
 
③Shigekatsu Suzuki, Yoshihisa Hirakawa, 
Rumiko Kofuji, Mamoru Sugita, Ken-ichiro 
Ishida (2016) Plastid genome sequences of 
Gymnochlora stellata, Lotharella 
vacuolata, and Partenskyella glossopodia 
reveal remarkable structural conservation 
among chlorarachniophyte species. Journal 
of Plant Research 129:581-590（査読有り） 
DOI:10.1007/s10265-016-0804-5 
 
④Yoshihisa Hirakawa, Ken-ichiro Ishida 
(2015) Prospective function of FtsZ 
proteins in the secondary plastid of 
chlorarachniophyte algae. BMC Plant 
Biology 15:276（査読有り） 
DOI:10.1186/s12870-015-0662-7 
 
〔学会発表〕（計 ８件） 
① Yoshihisa Hirakawa. Complex plastid 
evolution in chlorarachniophyte algae. 
Company of Biologists Workshop "Symbiosis 
in the microbial world: from ecology to 
genome evolution", 2017 
 
②平川泰久、石田 健一郎「クロララクニオ
ン藻のダイナミン様タンパク質」日本植物学
会、2017年 
 
③ Yoshihisa Hirakawa, Arisa Watanabe, 
Shigekatsu Suzuki, Ken-ichiro Ishida. 
Organelle DNA replication in 
chlorarachniophyte algae. Protist 2016, 
2016 
 
④ Arisa Watanabe, Shigekatsu Suzuki, 
Yoshihisa Hirakawa, Ken-ichiro Ishida. 
Evolution of organellar DNA polymerases in 
chlorarachniophyte algae. ICES 2016, 2016 
 
⑤渡辺ありさ、鈴木重勝、平川泰久、石田 健
一郎「クロララクニオン藻のオルガネラ DNA 
ポリメラーゼの進化」日本植物学会、沖縄、
2016年9月 
 
⑥平川泰久、鈴木 重勝、石田 健一郎 「ク
ロララクニオン藻の遺伝子発現から紐解く
色素体制御機構」 日本植物学会、2016年 
 
⑦鈴木 重勝、石田 健一郎、平川 泰久 「ク
ロララクニオン藻における日周期による遺
伝子発現プロファイル」 日本藻類学会、2016
年 
 
⑧平川泰久、鈴木 重勝、石田 健一郎 「ク
ロララクニオン藻の細胞周期における遺伝
子発現プロファイル」 日本植物学会、2015
年 
 
〔図書〕（計 １件） 
① Yoshihisa Hirakawa (2017) Secondary 
endosymbioses, Advances in Botanical 
Research Volume 84, Academic press, pp452 
 
〔その他〕 
ホームページ等 
https://yhirakawa.weebly.com/ 
 
６．研究組織 
(1)研究代表者 
 平川 泰久（HIRAKAWA, Yoshihisa） 
筑波大学・生命環境系・助教 
 研究者番号：40647319 


核による二次葉緑体の分裂制御機構の解明

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核による二次葉緑体の分裂制御機構の解明

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