光合成能は藻類遺伝子が宿主動物の核へ水平伝搬した結果であるという従来の説を覆す
2021-05-27 基礎生物学研究所
光合成は光エネルギーから有機化合物を合成する反応であり、陸上植物や藻類と一部の細菌が有する能力です。動物は光合成を行うことはできませんが、ごく少数ながら例外があります。巻き貝の仲間であるウミウシ類の一部の種は、餌として食べた藻類から、葉緑体を自分の細胞内に取り込み、数ヶ月に渡って葉緑体の光合成能力を維持し、そこから栄養を得ます。これを「盗葉緑体現象」と呼びます。動物であるにも関わらず光合成を行うウミウシの盗葉緑体現象には多くの研究者が驚きとともに関心をよせてきました。
藻類や植物では、葉緑体が光合成を行うために必要な遺伝子のほとんどは葉緑体のゲノムではなく核ゲノムに存在しています。そのため、人為的に藻類細胞から単離された葉緑体は単独で光合成を行うことはできません。にもかかわらず、ウミウシは餌から取り込んだ葉緑体の光合成活性を維持することができます。動物は光合成関連遺伝子を持たないため、なぜウミウシが単離された盗葉緑体で光合成が可能なのかは大きな謎であり、その仕組みについてこれまで多くの議論と研究がなされてきました。中でも有力な説は、藻類の核に存在する光合成に必要な遺伝子が、ウミウシの核に移動(水平伝播)しているとする「遺伝子の水平伝播」説です。しかしながら、非モデル生物であるウミウシでは、遺伝子の水平伝搬を厳密に議論できるほど精度の高い遺伝情報が整備されておらず、専門家の間で論争が続いていました。
今回、基礎生物学研究所の前田太郎研究員(現在、龍谷大学博士研究員 兼 慶應大学先端生命科学研究所所員)、重信秀治教授らを中心とした研究グループは、代表的な盗葉緑体ウミウシであるチドリミドリガイ(Plakobranchus ocellatus type black)の高精度なゲノム解読に成功しました。また、コノハミドリガイ(Elysia marginata)のゲノム解読にも成功しました。その結果、これまで有力とされていた説と異なり、光合成に関連する藻類の遺伝子はウミウシの核に移動していないことを明らかにしました。これは、遺伝子の水平伝播を伴わずとも、光合成のような複雑な生物機能が種を超えて伝播しうることを意味しており、生命の進化を考える上で大きな発見です。
図1 盗葉緑体現象を示すウミウシ、チドリミドリガイの概観とその葉緑体の電子顕微像
それでは、光合成遺伝子の水平伝搬がない状況でどのように光合成を行なっているのか、という点が次の疑問として浮かび上がってきます。今回明らかにしたウミウシのゲノム情報はそのヒントも与えてくれます。ウミウシの光合成器官(葉緑体を貯めている細胞)の遺伝子発現解析を行なったところ、タンパク質代謝や酸化ストレス耐性、自然免疫関連の遺伝子が高いレベルで発現しており、これらの遺伝子群が長期間の光合成活性維持に関与していることが示唆されました。また、これらの遺伝子群は、光合成活性をより長期に維持できるウミウシの系統で多様化するように進化していることもわかりました。これらの遺伝子がどのような機構で盗葉緑体の光合成活性を支えているかは今後の研究課題です。今後さらに盗葉緑体現象を研究することによって、葉緑体や光合成を自由自在に操る技術の開発(例えば動物細胞に光合成能力を付加するなど)につながると期待されます。
本研究成果は学術雑誌「eLife」に2021年4月27日付けで発表されました。
【研究の背景】
海に棲息する巻貝の仲間「ウミウシ」(図1、用語解説1、2)の一部の種は、餌として食べた藻類の葉緑体(用語解説3)を自分の腸の細胞内に取り込み、光合成能力を獲得します。これを「盗葉緑体現象」と呼びます(図2)。動物であるにも関わらず光合成を行うウミウシの盗葉緑体現象には多くの研究者が驚きとともに関心をよせてきました。光合成に必要なタンパク質(酵素)の設計図(遺伝子)のほとんどが藻類の核に存在しており、葉緑体だけでは光合成に必要なタンパク質を合成することはできません。しかしウミウシ細胞は、藻類の核は取り込まずに葉緑体だけを選択して取り込みます(図3)。一般的に、光合成に必要なタンパク質は非常に壊れやすく、人為的に藻類から単離した場合、葉緑体は数日しか光合成を行えません。しかし、ウミウシに取り込まれた葉緑体は、長いものでは10ヶ月ほど光合成を行います。つまり、ウミウシは動物であっても、藻類の葉緑体を使って光合成を行うことが可能であることを示していますが、藻類の核が無い状態で、どのような仕組みで光合成を行うのかは大きな謎でした(図3)。
図2 盗葉緑体現象(kleptoplasty)の概観
図3 藻類での光合成タンパク質の由来と盗葉緑体現象
有力な説は、藻類の核に存在する光合成に必要な遺伝子が、ウミウシの核に移動(水平伝播)しているとする「遺伝子の水平伝播」説(用語解説4、図4)です。生物では、希に、他の生物種の遺伝子がゲノム中に入り込み、この外来の遺伝子を使って、祖先が持たなかった性質を新たに獲得することがあります。「遺伝子の水平伝播」説では、この遺伝子の水平伝搬が、藻類とウミウシの間で昔起きたことがあり、ウミウシゲノム中に、藻類に由来する光合成遺伝子がすでに取り込まれていると仮定します。ウミウシ細胞内の葉緑体は、このウミウシゲノムに水平伝搬した光合成遺伝子から翻訳されるタンパク質を使って光合成を行っていると考えます(図4)。水平伝搬の証拠として、PCRによってウミウシから抽出されたDNAから藻類の遺伝子が検出されることが挙げられました。しかし、試料の純度や検出手法の問題も指摘されており、遺伝子の水平伝播が本当に起きているのか、専門家の間で激しい議論が続いていました。
これを解決するために、ウミウシゲノムの解読による餌藻類由来の遺伝子の探索が何度も試みられましたが、非モデル生物であるウミウシでは、遺伝子レベルの研究は大変困難であり、これまで十分説得力のあるデータが得られていませんでした。課題として、(1)ウミウシからゲノム解読に耐えうる高品質なゲノムDNAを抽出する方法が確立していなかった、(2)水平伝播を検証できるほどの高精度のゲノム情報を構築することが困難であった、(3)餌としている藻類種が不明で光合成遺伝子の配列情報も不足していた、がありました。本研究で研究グループはこれらの技術的な問題を克服し、ウミウシの盗葉緑体現象の謎に迫りました。
盗葉緑体現象は日本人の川口四郎氏によって1965年に世界で初めて報告された現象です。にもかかわらず、その研究の系譜は消えかけており、本邦産のウミウシをつかった分子生物学的な研究はごくわずかでした。従来の盗葉緑体研究は、主に大西洋産のウミウシElysia chloroticaを用いて欧米の研究者によって進められてきました。今回の研究の筆頭著者でもある前田らのグループは、日本近海に生息するチドリミドリガイPlakobranchus ocellatus (用語解説5)を用いた、盗葉緑体研究に着手し、これまでに、本種の餌藻類を分子系統学的手法から同定したり、野外での光合成への依存度を明らかにしたりしてきました(Maeda et al., 2012, Plos One, 7(7), e42024)
【研究の成果】
今回の研究では、高精度なウミウシのゲノム情報を取得することに成功しました。そのゲノム情報を解析した結果、これまで有力だった水平伝搬説に反し、ウミウシの核には光合成に関連する藻類の遺伝子は存在しないことを示しました(図4)。
研究グループは、チドリミドリガイ(Plakobranchus ocellatus type black)のゲノム情報を解読しました。チドリミドリガイのゲノムは9億3千万塩基対のDNA(ヒトゲノムの約3分の1)から構成されていました。このゲノムデータの品質を様々な指標から検証したところ、網羅性の高い高精度なものであると評価できました。このチドリミドリガイのゲノムの中に、藻類に由来する遺伝子が存在するかどうか網羅的に探索したところ、藻類に由来する光合成関連遺伝子は一つも検出されませんでした。これが探索手法の感度不足によるものではないことを確かめるために、同様の探索手法を藻類(クビレズタ, Caulerpa lentillifera)のゲノムに適用してみましたが、光合成関連遺伝子の73-93%を見つけられたことから、今回用いた探索手法は十分な検出力を持っていたと言えます。さらに、見落としがないよう、探索範囲を最終的に構築されたウミウシのゲノム配列だけでなく、生データにまでさかのぼり、また遺伝子発現データ(RNA-Seq)にも対象を広げましたが、光合成関連遺伝子の水平伝播を支持する証拠は得られませんでした。これらの徹底的な探索の結果に基づいて、チドリミドリガイの核ゲノムには光合成遺伝子は存在しない、水平伝搬は起きていないと結論づけました。
今回の研究では、核ゲノムに加えて、チドリミドリガイが取り込んだ盗葉緑体中のゲノムDNAも解読しました。盗葉緑体のゲノム解読は世界初の成果です。そのゲノムに含まれる遺伝子レパートリーを調べたところ、盗葉緑体のゲノムDNAは、多くの藻類の葉緑体と同様な特徴を持っていました。60個ほどの遺伝子をコードしており、一方、光合成に必須な遺伝子psbO, rbcS(これらは通常の藻類では藻類の核ゲノムに存在します)は存在しませんでした。つまり動物細胞の中で光合成ができるように盗葉緑体のゲノムに何か特別な進化が起きたわけではないことを意味しています。
このように、チドリミドリガイは、核ゲノムにも盗葉緑体ゲノムにも光合成に必要な遺伝子の大部分を持たないことが明らかになりましたが、実際には、光合成活性を3ヶ月以上維持し、飢餓に対する耐性を向上させるのに役立てていることも今回明らかにしました。以上から、チドリミドリガイの盗葉緑体現象は、遺伝子の水平伝播を伴わない形質の伝播とそれによる適応度の向上であると言えます。これは、遺伝子の水平伝播を伴わずとも、光合成のような複雑な生物機能が種を超えて伝播しうることを意味しており、生命の進化を考える上で重要な示唆を与えます。
遺伝子の水平伝播を経ずに形質が伝搬する分子機構は未解明で今後の研究課題ですが、本研究はその端緒となるものでもあります。近縁種との比較ゲノム解析と、チドリミドリガイの光合成器官(中腸腺)の遺伝子発現解析(組織間比較RNA-Seq)により、タンパク質代謝や酸化ストレス耐性、自然免疫関連の遺伝子が長期間の光合成活性維持に関与している可能性が示されました。短期間しか光合成能力を維持できないウミウシ、コノハミドリガイ(Elysia marginata)のドラフトゲノムを解読し長期間光合成能力を維持できるチドリミドリガイと比較したところ、これらの遺伝子が、チドリミドリガイで特に多様化していることが示されました。まだ憶測の域を出ませんが、酸化ストレス耐性遺伝子はタンパク質を光合成による酸化ストレスから守り、自然免疫関連遺伝子は藻類由来タンパク質に対して免疫寛容性を高め、タンパク質代謝に関わる遺伝子は変性したタンパク質を早期分解して無傷の光合成タンパク質を選抜する、など、タンパク質レベルで光合成能力を維持するのに貢献しているのかもしれません。
図4 有望とされていた遺伝子水平伝播仮説と本研究の結果
【今後の展望】
光合成の様な複雑で高度な機能が遺伝子の移動なしで種を跨いで伝搬し得ることを示した本研究は、生物の進化に対する新たな視点をもたらします。これまでにも他の種から機能を獲得する現象は、細菌類の薬剤耐性等で知られていましたが、従来このような形質の獲得には遺伝子の水平伝搬が伴うと考えられていました。今回の発見は、「遺伝子の移動に伴って形質が移動する」という種間での形質伝搬の見方を一部覆すものです。遺伝子を伴わない形質伝搬としては、最近キンメモドキという発光魚で発見された盗タンパク質現象があります。この魚は、発光するために、餌のウミホタルから得たルシフェラーゼ酵素を流用していることが明らかになっています(Bessh-Ueharaら2020; 用語解説6)。今後のさらなる研究によって、遺伝子の伝搬を伴わない形質伝搬の生物界での広がりやこれまで見過ごされてきたインパクトが見えてくるかもしれません。
本研究によって得られたウミウシのゲノムデータは、今後の盗葉緑体現象の仕組みを解明するための重要な基盤となります。そして、葉緑体や光合成を自由自在に操る技術につながる可能性があります。例えば、将来的には、動物細胞に光合成能力を付与するような革新的なバイオテクノロジーの開発につながる可能性があります。また、今回ゲノムを解読したコノハミドリガイは、心臓を含む大規模な自切と再生を示すことで脚光を浴びていますが(Mitoh et al., Curr. Biol., 31(5):R233-R234, 2021)、今回得られたゲノム情報はこのウミウシが再生研究の新たな研究材料として展開するための基盤としても貢献すると期待されます。
【発表雑誌】
雑誌名 eLife
掲載日 2021年4月27日
論文タイトル: Chloroplast acquisition without the gene transfer in kleptoplastic sea slugs, Plakobranchus ocellatus
著者:Taro Maeda, Shunichi Takahashi, Takao Yoshida, Shigeru Shimamura, Yoshihiro Takaki, Yukiko Nagai, Atsushi Toyoda, Yutaka Suzuki, Asuka Arimoto, Hisaki Ishii, Nori Satoh, Tomoaki Nishiyama, Mitsuyasu Hasebe, Tadashi Maruyama, Jun Minagawa, Junichi Obokata, Shuji Shigenobu
DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.60176
【研究グループ】
基礎生物学研究所(前田太郎、高橋俊一、長谷部光泰、皆川純、重信秀治)、京都府立大学(石井寿季、小保方潤一)、海洋研究開発機構(吉田尊雄、島村繁、高木善弘、長井裕季子、丸山正)、金沢大学(西山智明)、沖縄科学技術大学院大学(有本飛鳥、佐藤矩行)、東京大学(鈴木穣)、国立遺伝学研究所(豊田敦)からなる研究グループによる研究成果。
【研究サポート】
本研究は,以下の研究費の支援を受けて行われました。
文部科学省科学研究費補助事業(科研費)
·新学術領域研究「複合適応形質進化の遺伝子基盤解明」(課題名:ウミウシの盗葉緑体現象に注目した遺伝子水平伝播による複合適応形質の伝播機構解明)
·新学術領域研究「複合適応形質進化の遺伝子基盤解明」(総括班)
·新学術領域研究「新光合成:光エネルギー変換システムの再最適化」(課題名:プロトン勾配による集光のフィードバック制御)
·新学術領域研究「ゲノム科学の総合的推進に向けた大規模ゲノム情報生産・高度情報解析支援」
·新学術領域研究「進化の制約と方向性 ～微生物から多細胞生物までを貫く表現型進化原理の解明～」(課題名:昆虫―微生物共生可能性の探索と分子基盤の解明)
最先端研究基盤事業「植物科学最先端研究拠点ネットワーク」
【用語解説】
1)巻貝
軟体動物の内、腹足綱に属する生物の総称。サザエやカタツムリの様に多くは螺旋状に巻いた殻を持つが、カサガイやヒザラガイなど、板状の殻を持つ物もいる。またウミウシ類やクリオネ等のように、完全に貝殻を失った物も含まれる。板状の足(腹足)をもち、這って移動する物が多い。オウムガイやアンモナイトも巻いた殻を持つが、巻貝とは呼ばない。
2)ウミウシ
貝殻が無い、もしくは体に対して小さい巻貝類の総称。様々な巻貝の分類群にまたがって「〜ウミウシ」と呼称される種が散在している。これは、旧来、「後鰓亜綱」に属し且つ貝殻を持たない種をウミウシと呼称していたのが、近年の分類見直しにより後鰓亜綱が解体されたことによる。盗葉緑体現象を示すウミウシはいずれも異鰓亜綱嚢舌目に属しており、このグループはよくまとまった分類群である。
3)葉緑体
藻類や植物の細胞中に見られる光合成を行う細胞小器官。二重の膜で区切られ、その中に独自の短いゲノムDNAを持っているが、自力では分裂や光合成を行うことができず、それらに必要な遺伝子のほとんどが細胞の核内のゲノムDNAに存在する。葉緑体は、もともとは独立した光合成細菌(シアノバクテリア類)であり、藻類や植物の祖先の細胞に入り込んで共生する形で進化したものであると考えられている(細胞内共生説)。
4)遺伝子の水平伝搬
生物種間で起こる遺伝子の伝搬のこと(親から子への「垂直」の遺伝と対比して)。近年のゲノム解析の結果、細菌類では遺伝子の水平伝搬は比較的頻繁に起きていることがわかってきた。遺伝子の水平伝播によって薬剤耐性など新たな性質を獲得することがある。また、希ではあるが、植物や動物でも他の植物種や微生物に由来する遺伝子がゲノム中から見つかっている。ウイルスに由来する遺伝子はヒトを含めた様々な生物種で見つかっている。
5)チドリミドリガイ
インド–太平洋の熱帯〜亜熱帯地域に生息する嚢舌目ウミウシの一種。プランクトン幼生期にだけ貝殻を持ち、成体になる過程で脱ぎ捨てる。海底の砂に浅く潜って生息し、体色はサンゴ砂に類似した多様な色の模様を示す。背部には羽状の2枚の突起を持ち、その内側が鮮やかな緑色を呈する。緑色は、体表を透けて見える腸管の細胞に取り込まれた葉緑体に由来する。
6)Bessho-Uehara, M. et al. Kleptoprotein bioluminescence: Parapriacanthus fish obtain luciferase from ostracod prey. Sci Adv 6, eaax4942 (2020).
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20200109-2/index.html
【本研究に関するお問い合わせ先】
基礎生物学研究所 進化ゲノミクス研究室
教授 重信秀治
研究員 前田 太郎(現 龍谷大学 博士研究員 兼 慶應大学先端生命科学研究所 所員)
【報道担当】
基礎生物学研究所 広報室
