Re-examination of the endosymbiotic theory of organelle origin

2019 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17H03715
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Evolutionary biology
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Sato Naoki 東京大学, 大学院総合文化研究科, 名誉教授 (40154075)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 細胞内共生説 / 宿主主導説 / 色素体 / クロマトフォア / 脂質合成

Outline of Final Research Achievements

The endosymbiotic theory of organelle origin was re-analyzed by phylogenetic analysis based on comparative genomics, as well as lipid metabolic analysis. Many of the enzymes involved in the synthesis of membrane lipids were found to originate from non-cyanobacterial organisms, whereas most components of photosynthesis and gene expression system originated from cyanobacteria. However, there are at least three origins within the cyanobacterial clade. We also found that the chromatophores of Paulinella retain the complete pathway of cyanobacterial lipid biosynthesis, but that the photosynthates are rapidly forwarded to the cytoplasmic compartment for the synthesis of lipids in endoplasmic reticulum. Therefore, chloroplasts have an evolutionary history different from that of chromatophores. I propose the theory of "host-directed formation of chloroplasts" that involved many gene transfers from many organisms, not just cyanobacteria.

Free Research Field

進化

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

細胞小器官の細胞内共生起源は，現在では，生物教科書にも広く取り上げられている説であるが，歴史を調べると，その根拠は希薄である。また，葉緑体やミトコンドリアのタンパク質の詳細な系統解析の結果は，さまざまな生物からの多様な遺伝子導入を示唆している。こうした点から，単純な細胞内共生が細胞小器官の起源であるとする説はもはや維持することはできないと考えられる。本研究は主に葉緑体をターゲットとしたものであるが，ミトコンドリアについても同様の考え方が世界の研究者から提示されている。そのため，宿主主導説は今後，単純な細胞内共生説に代わる基本的な考え方になると期待され，その社会的な影響は大きい。