パラサイトな存在の葉緑体が、核ゲノムを支配していた！
2009年3月12日
千葉大学大学院 園芸学研究科 微生物工学研究室
田中 寛 教授
多細胞生物の細胞質には、ミトコンドリアやゴルジ体など、特定の役割をもつさまざまな小器官（細胞小器官）がある。このうち、ミトコンドリアと葉緑体は、もとはそれぞれに独立した細菌だったが、進化の過程で別の単細胞生物に入り込んだものとされている。ともに、細胞内に寄生する「パラサイトな存在」だといえる。このほど、千葉大学大学院 園芸学研究科 微生物工学研究室の田中 寛教授は、葉緑体が出すシグナルを新たに発見し、このシグナルが核内のゲノムや細胞増殖を制御していることを突き止めた。
約38億年前に誕生したとされる初期生命は、現在の好熱菌のような古細菌の仲間だったと考えられている。その後で、細胞壁などの構造が少し異なる枯草菌などの一般的な細菌（真正細菌）があらわれたとされる。さらに時代を経ることで、DNAが核内に収められた真核生物があらわれ、多細胞生物へと続くことになる。
1970年、マーギュリスは、「それぞれに独立した遺伝情報（DNA）をもつミトコンドリアと葉緑体の祖先が、シアノバクテリアという真正細菌の一種である」とし、これらが別の単細胞生物（現在では、古細菌に由来した原核生物だったのではないかとの見方が有力）に寄生することで細胞内小器官へと進化したとする「細胞内共生説」を提唱した。その後、多くの研究者によって細胞内共生説が検証され、現在では広く認められるようになっている。ただし、細胞分裂の際に、共生側のミトコンドリアや葉緑体と宿主側の細胞が、互いの情報をどのようにやりとりしているかについては謎のままだった。
今回、田中教授らは、ミトコンドリアと葉緑体を一つずつもつ、原始的な真核生物「シゾン」を用いて、細胞内小器官と核のDNA合成がどのように行われているのかを調べてみた。「シゾンは光が当たると増殖をはじめるので、このしくみと増殖を阻害する物質などを利用して実験を進めた」と田中教授。まず、増殖の際に、細胞内小器官のDNA複製→サイクリン依存キナーゼ（CDK）の活性化→核内のDNAの複製が段階的にみられ、各イベントが直前のイベントに依存しておきることを突き止めた。つまり、核内のDNAが複製されるには、先だってミトコンドリアや葉緑体のDNAが複製される必要があったのである。
次に田中教授は、CDKの活性化が何によって誘導されるのかを、実験によって検討してみた。「幸運なことに、実験を始めてまもなく、葉緑体に由来するテトラピロール合成中間体（MP）が決定的な役割を果たしていることがわかった」と田中教授。シゾンは暗い場所では増殖しないが、MPを加えると暗くても核内のDNAが複製されるようになったという。MPは、光合成のために重要な葉緑素（クロロフィル）の合成途中で作られる化合物として知られるもので、真核細胞では葉緑体の中で合成されることがわかっていた。
MPによるシグナル伝達系は、葉緑体が、細胞を乗っ取った寄生体のようにふるまい、あたかも宿主細胞を支配しているようにみえる。「瀬名秀明氏によるパラサイト・イブというバイオホラー小説があるが、今回の成果は、現実にシゾンの体内にパラサイト・イブの世界があったといえる」。そうコメントする田中教授は、MPのシグナルを「パラサイト・シグナル」とよんでいる。
さらに田中教授は、たばこの根の培養細胞を用いることで、より高等な植物にも同様のシグナル伝達系があることを明らかにした。「葉緑体の先祖であるシアノバクテリアと真核生物の共生は、シアノバクテリアの光を利用する能力をめぐって成立したのだと思う。ただし、この時点で真核生物はすでにミトコンドリアとの共生を行っていたようだ」。そう話す田中教授は、今後の研究によって真核生物がミトコンドリアと共生しはじめた経緯についても検討したいとしている。
互いのメリットとデメリットをてんびんにかけた上で始まったと思われる共生関係。では、現在の細胞内小器官が核のDNA複製を制御する理由はどこにあるのか。田中教授は、宿主細胞のゲノムが独走したり暴走するのを防ぐためではないかとし、「ミトコンドリアの解明が進めば、動物細胞の核複製との関連もみえてくるだろう。がん細胞ではミトコンドリアの活性が落ちるとの報告もあり、今後の成果ががんなどの治療に応用できる可能性もあると思う」と話す。
学生時代に放線菌やシアノバクテリアなどを使って転写制御の研究をしていたという田中教授。とくに、葉緑体の転写に欠かせないシグマ因子という転写因子をターゲットにしていたが、その遺伝子が葉緑体ゲノムではなく核ゲノムにあったことが、細胞内小器官の研究に向かうきっかけになったという。真核生物の生命現象の全体像に迫るという夢の実現に向けて、シゾンと格闘し続けている。
西村尚子 サイエンスライター
