2017 Fiscal Year Annual Research Report
渦鞭毛藻細胞内に発見された新たな共生体痕跡核ゲノムの解読
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16H04826
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
稲垣 祐司 筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (50387958)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
谷藤 吾朗 独立行政法人国立科学博物館, 動物研究部, 研究員 (70438480)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 細胞内共生 / 二次共生 / ヌクレオモルフ / ゲノム縮退 / 渦鞭毛藻 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
細胞内共生した緑藻と紅藻が葉緑体化した「二次共生」の過程で、ほとんどの共生藻は葉緑体以外の細胞内構造を失った。しかし、クロララクニオン藻とクリプト藻は高度に縮退したゲノムをふくむ共生藻痕跡核〔ヌクレオモルフ；NM〕を保持しているため、二次共生に伴う共生藻核ゲノム縮退の中間段階モデルとして研究されてきた。一方で、ゲノム縮退過程をより詳しく理解するには縮退段階の異なるNMゲノムが有効だが、NMをもつ新たな真核藻類は過去30年間発見されていなかった。本研究では、NMをもつ新奇渦鞭毛藻TRD-151株およびMRD-132株を対象に、二次共生に伴う共生藻核ゲノムの進化の共通原理を解明することを目標とした。
H29年度では、TRD-151株とMRD-132株からNMをふくむ葉緑体サンプルから抽出したDNAから得たシーケンスデータと渦鞭毛藻細胞から抽出した全RNAから得た網羅的mRNAシーケンスデータを解析した。葉緑体サンプル（NMを含む）からゲノムデータを得たが、まだ渦鞭毛藻核ゲノムの混入があり、NMゲノムの全容を解明するに足るデータとは言えなかった。一方網羅的mRNAシーケンス解析からのデータは十分量取得できた。このデータから再構築したmRNA配列それぞれをクエリとしてBLAST解析し、自由生活性緑藻遺伝子に高い相同性を示した配列を取得した。さらに緑藻由来mRNA配列を、コドン第一文字目とコドン第三文字目のAT含量に基づきプロットしたところ、AT含量が異なる2つのグループに分けることができた。これまでゲノム解析されたオルガネラや細胞内共生体などがもつ縮退したゲノムでは、共通してAT含量の低下が観察されてきた。これに基づけば、相対的にAT含量が高いmRNAは渦鞭毛藻ゲノムに移行した緑藻遺伝子からの転写物、AT含量の高いmRNAがNMゲノム中の遺伝子からの転写物であると予想した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
H28-29年度で行った緑色渦鞭毛藻TRD-151株とMRD-132株のNMゲノム解読は、やや難航している。渦鞭毛藻の核は巨大であることが知られており、細胞内共生過程で縮退したと考えられる緑藻由来NMゲノムと比べて圧倒的に存在量が多い。電子顕微鏡観察からNMは葉緑体に付随しおり、NMを含む葉緑体と渦鞭毛藻核を分離することにより、核ゲノムの混入をできるだけ防ぐ方法を模索した。一方で単離した葉緑体サンプルに含まれるDNAサンプルは微量であり、イルミナシーケンスを行うためにはゲノム増幅が必須である。顕微鏡下で核と葉緑体が分離していることは確認しているが、今回シーケンスデータから検出された渦鞭毛藻核ゲノム配列は、葉緑体サンプルに混入した一定量の核ゲノムが増幅された結果であると考えられる。今後葉緑体サンプルと渦鞭毛藻核の分離方法をさらに改良し、ゲノムシーケンスを行う。
一方網羅的mRNAシーケンスの解析から、効率的にNMゲノムにコードされる緑藻遺伝子を予測することができた。今後これらのNMゲノムからの転写物を手掛かりにすることで、NMゲノム断片を探索することが可能となろう。
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| Strategy for Future Research Activity |
H30年度は研究計画の最終年度として、（1）渦鞭毛細胞内で縮退した緑藻核ゲノム（NMゲノム）とその祖先であるペディノ藻Pedinomonas minorのゲノムとの比較、（2）緑色渦鞭毛藻TRD-151株とMRD-132株、クロララクニオン藻、クリプト藻のNMゲノムの比較を行う。
まず課題（1）を検証するため、本研究で得たP. minorゲノム中の遺伝子レパートリーと、TRD-151株とMRD-132株のNMゲノム中の遺伝子レパートリーを比較して、縮退過程でどのような機能がNMから失われたのかを推測する。NMゲノムから失われても宿主（渦鞭毛藻）核に移行した遺伝子も多数存在すると考えられる。このような渦鞭毛藻ゲノム中にコードされる緑藻遺伝子はどのような機能を持つのかを同定し、遺伝子がNMゲノムに保持されず宿主核ゲノムに移行したのか、その生物学的意味を探索する。
課題（1）により渦鞭毛藻細胞内での共生過程での遺伝子の「取捨選択」の概要が解明された後、課題（2）の検証に進む。我々が解析している渦鞭毛藻2種の他に、クロララクニオン藻とクリプト藻がNMを持っていることが分かっている。クロララクニオン藻はアオサ藻の一種を、クリプト藻は紅藻を細胞内共生させ葉緑体化したことが分かっている。またクロララクニオン藻とクリプト藻の葉緑体はNMを包含しており、そのゲノムが決定されている。NMを保持する真核藻は、宿主系統も、葉緑体化した共生藻の系統も、互いに近縁ではない。従って宿主細胞内でのNMの確立とそのゲノムの縮退過程は独立に起こったと考えられる。そこで進化起源の異なる3つのNMゲノムの縮退過程を比較することで、共生藻ゲノムの縮退を駆動した機能的制約の共通性の抽出と、個別性の理解に挑戦する。
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Research Products
(24 results)
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[Journal Article] Extensive molecular tinkering in the evolution of the membrane attachment mode of the Rheb GTPase2018
Author(s)
Zhonova Kristina, Petrzelkova Romana, Valach Matus, Yazaki Euki, Tikhonenkov Denis V., Butenko Anzhelika, Janouskovec Jan, Hrda Stepanka, Klimes Vladimir, Gurger Gertraud, Inagaki Yuji, Keeling Patrick J., Hampl Vladimir, Flegontov Pavel, Yurchenko Vyacheslav, Elias Marek.
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 8
Pages: 5239
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Molecular tinkering in the evolution of the membrane attachment mechanisms of the Rheb GTPase2017
Author(s)
Zhonova Kristina, Petrzelkova Romana, Yazaki Euki, Nishimura Yuki, Valach Matus, Hrda Stepanka, Klimes Vladimir, Inagaki Yuji, Burger Gertraud, Hampl Vladimir, Yurchenko Vyacheslav, Elias Marek.
Organizer
ICOP2017
Int'l Joint Research
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