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

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H04826
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 稲垣 祐司 筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (50387958)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [雑誌論文] Phylogenomics Places Orphan Protistan Lineages in a Novel Eukaryotic Super-Group (2018)
  • 著者名/発表者名: Brown Matthew W、Heiss Aaron A、Kamikawa Ryoma、Inagaki Yuji、Yabuki Akinori、Tice Alexander K、Shiratori Takashi、Ishida Ken-Ichiro、Hashimoto Tetsuo、Simpson Alastair G B、Roger Andrew J
  • 雑誌名: Genome Biology and Evolution 巻: 10 ページ: 427～433
  • DOI: 10.1093/gbe/evy014
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Extensive molecular tinkering in the evolution of the membrane attachment mode of the Rheb GTPase (2018)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 ページ: 5239
  • DOI: 10.1038/s41598-018-23575-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The draft genome of Kipferlia bialata reveals reductive genome evolution in fornicate parasites (2018)
  • 著者名/発表者名: Tanifuji G, Takabayashi S, Kume K, Takagi M, Nakayama T, Kamikawa R, Inagaki Y, Hashimoto T
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 13 ページ: e0194487
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0194487
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Global Kinetoplastea phylogeny inferred from a large-scale multigene alignment including parasitic species for better understanding transitions from a free-living to a parasitic lifestyle (2017)
  • 著者名/発表者名: Yazaki Euki、Ishikawa Sohta A.、Kume Keitaro、Kumagai Akira、Kamaishi Takashi、Tanifuji Goro、Hashimoto Tetsuo、Inagaki Yuji
  • 雑誌名: Genes & Genetic Systems 巻: 92 ページ: 35～42
  • DOI: 10.1266/ggs.16-00056
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Organelles that illuminate the origins of Trichomonas hydrogenosomes and Giardia mitosomes (2017)
  • 著者名/発表者名: Leger Michelle M.、Kolisko Martin、Kamikawa Ryoma、Stairs Courtney W.、Kume Keitaro、Cepicka Ivan、Silberman Jeffrey D.、Andersson Jan O.、Xu Feifei、Yabuki Akinori、Eme Laura、Zhang Qianqian、Takishita Kiyotaka、Inagaki Yuji、Simpson Alastair G. B.、Hashimoto Tetsuo、Roger Andrew J.
  • 雑誌名: Nature Ecology & Evolution 巻: 1 ページ: 0092～0092
  • DOI: 10.1038/s41559-017-0092
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Non-photosynthetic Diatom Reveals Early Steps of Reductive Evolution in Plastids (2017)
  • 著者名/発表者名: Kamikawa Ryoma、Moog Daniel、Zauner Stefan、Tanifuji Goro、Ishida Ken-Ichiro、Miyashita Hideaki、Mayama Shigeki、Hashimoto Tetsuo、Maier Uwe G.、Archibald John M.、Inagaki Yuji
  • 雑誌名: Molecular Biology and Evolution 巻: 34 ページ: 2355～2366
  • DOI: 10.1093/molbev/msx172
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Genome sequencing reveals metabolic and cellular interdependence in an amoeba-kinetoplastid symbiosis (2017)
  • 著者名/発表者名: Tanifuji Goro、Cenci Ugo、Moog Daniel、Dean Samuel、Nakayama Takuro、David Vojt?ch、Fiala Ivan、Curtis Bruce A.、Sibbald Shannon J.、Onodera Naoko T.、Colp Morgan、Flegontov Pavel、Johnson-MacKinnon Jessica、McPhee Michael、Inagaki Yuji、Hashimoto Tetsuo、Kelly Steven、Gull Keith、Luke? Julius、Archibald John M.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 111688
  • DOI: 10.1038/s41598-017-11866-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Genomic divergence within non-photosynthetic cyanobacterial endosymbionts in rhopalodiacean diatoms (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakayama Takuro、Inagaki Yuji
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 13075
  • DOI: 10.1038/s41598-017-13578-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Trends in reconstruction of three nucleus-encoded, plastid-localized pathways for the heme, chlorophyll a and isopentenyl diphosphate biosynthesises in two separate dinoflagellate lineages bearing non-canonical plastids (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsuo Eriko、Inagaki Yuji
  • 雑誌名: PeerJ Preprints 巻: 5 ページ: e3488v1
  • DOI: https://doi.org/10.7287/peerj.preprints.3488v1
  • オープンアクセス
• [学会発表] Contribution of chlorarachniophytes to the chlorophyll a synthesis in green-colored dinoflagellates. (2017)
  • 著者名/発表者名: Eriko Matsuo, Kazuya Takahashi, Chihiro Sarai, Mitsuyoshi Iwataki, Yuji Inagaki.
  • 学会等名: ICOP2017
  • 国際学会
• [学会発表] Parallel genome reduction in pedinophyte-derived plastids in green-colored dinoflagellates (2017)
  • 著者名/発表者名: Eriko Matsuo, Konnosuke Morita, Goro Tanifuji, Takuro Nakayama, Kazuya Takahashi, Chihiro Sarai, Mitsuyoshi Iwataki, Yuji Inagaki
  • 学会等名: ICOP2017
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular tinkering in the evolution of the membrane attachment mechanisms of the Rheb GTPase (2017)
  • 著者名/発表者名: Zhonova Kristina, Petrzelkova Romana, Yazaki Euki, Nishimura Yuki, Valach Matus, Hrda Stepanka, Klimes Vladimir, Inagaki Yuji, Burger Gertraud, Hampl Vladimir, Yurchenko Vyacheslav, Elias Marek.
  • 学会等名: ICOP2017
  • 国際学会
• [学会発表] A heterolobosean strain SRT213 and its mitochondrion-related organelle (2017)
  • 著者名/発表者名: Euki Yazaki, Takashi Shiratori, Keitaro Kume, Tetsuo Hashimoto, Ken-ichiro Ishida, Yuji Inagaki
  • 学会等名: ICOP2017
  • 国際学会
• [学会発表] Morphology, ultrastructure and phylogeny of a new species of Glissandra (Protista incertae sedis) (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Shiratori, Euki Yazaki, Yuji Inagaki, Ken-ichro Ishida
  • 学会等名: ICOP2017
  • 国際学会
• [学会発表] 新奇ヘテロロボサ生物SRT213における縮退的ミトコンドリア機能の推測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 矢崎裕規，白鳥峻志，久米慶太郎，橋本哲男，石田健一郎，稲垣祐司
  • 学会等名: 日本進化学会第19回大会
• [学会発表] セスジアカムカデ消化管内寄生虫の網羅的mRNAデータに基づくアピコンプレクサの初期進化に関する一考察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 宮田凌佑，松尾恵梨子，中山卓郎，谷藤吾朗，千頭康彦，八畑謙介，稲垣祐司
  • 学会等名: 日本進化学会第19回大会
• [学会発表] Mitochondrial genome of a protist branched at the base of Euglenozoa (2017)
  • 著者名/発表者名: Euki Yazaki, Takashi Shiratori, Keitaro Kume, Tetsuo Hashimoto, Ken-ichiro Ishida, Yuji Inagaki
  • 学会等名: Mitochondrial Genomics and Evolution, an SMBE Satellite Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 有殻アメーバのゲノム解読による一次細胞内共生進化の初期プロセスの解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松尾充啓，潟端篤，立川誠，水口洋平，野口英樹，豊田敦，藤山秋佐夫，鈴木穣，中山卓郎，神川龍馬，野村真未，稲垣祐司，石田健一郎，小保方 潤一
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] 陸生節足動物消化管から単離されたグレガリナ様寄生虫の系統学的位置と非光合成性色素体の探索. (2017)
  • 著者名/発表者名: 宮田凌佑，松尾恵梨子，中山卓郎，谷藤吾朗，千頭康彦，八畑謙介，稲垣祐司
  • 学会等名: 第50回日本原生生物学会・第1回日本共生生物学会合同大会
• [学会発表] ユーグレノゾア基部から分岐する新奇原生生物のミトコンドリアゲノム (2017)
  • 著者名/発表者名: 矢崎裕規，白鳥峻志，久米慶太郎，橋本哲男，石田健一郎，稲垣祐司
  • 学会等名: 第50回日本原生生物学会・第1回日本共生生物学会合同大会
• [学会発表] 葉緑体を置換した渦鞭毛藻におけるゲノム進化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松尾恵梨子，稲垣祐司
  • 学会等名: 藻類合同セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 有中心粒太陽虫類におけるミトコンドリアゲノムの解読 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西村祐貴，白鳥峻志，石田健一郎，橋本哲男，稲垣祐司，大熊盛也
  • 学会等名: 第12回ゲノム微生物学会
• [学会発表] 真核生物系統をより広く、より深く (2017)
  • 著者名/発表者名: 稲垣祐司
  • 学会等名: 第1回原生生物進化生態研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 外洋性渦鞭毛藻Ornithocercus magnificusに見られる共生シアノバクテリアのゲノム解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中山卓郎，高野義人，野村真未，柴小菊，稲葉一男，稲垣祐司
  • 学会等名: 日本藻類学会第42回大会