Abstract 2020

真核生物におけるCvt経路輸送基質の進化プロセス解明

Most vacuolar proteins arrive at the vacuole through the secretory pathway, but an alternative pathway called the cytoplasm-to-vacuole targeting (Cvt) pathway exists in yeast and its close relatives specifically for vacuolar enzymes aminopeptidase I (Ape1), aspartyl aminopaptidase (Ape4), and alpha-mannosidase (Ams1). A biosynthetic pathway by nature, the Cvt pathway shares most of the transport machinery with the degradative autophagy pathway. While it is likely that the Cvt pathway evolved as an adapted version of selective autophay, its evolutionary transition remains largely unclear. The main receptor protein Atg19 was proposed to be homologous to mammalian Nbr1 (Kraft et al. 2010). Here, we set out to analyze the evolution of Cvt cargo proteins Ape1, Ape4, and Ams1 in eukaryotes. Phylogenetic tree of Ape1 and Ape4 together (as they have 32% sequence similarity) separates into two main branches in eukaryotes: cytosolic Ape4/M18 (in most species including mammals and fungi) and vacuolar Ape1 (only in fungi), suggesting that Ape4 is the ancestral form in eukaryotes, and Ape1 emerged in the common ancestor of Pezizomycotina and Saccharomycotina in fungi. The position of Ape1 emergence on the species tree coincides with the edge of reported cases of the Cvt pathway, suggesting that the N-terminal propeptide, which is required for Ape1 being a Cvt cargo and absent in Ape4, was acquired shortly after Ape1-Ape4 branching and that Ape4 became a Cvt cargo by an independent mechanism. On the other hand, in the case of Ams1, using a combination of phylogeny reconstruction and subcellular localization prediction methods, we found that the ancestral state most likely consists of multiple proteins localizing to the cytosol and organelles such as the Golgi and lysosome that have been repeatedly lost in different lineages subsequently. Fungi only keep the cytosolic form, suggesting that in species with the Cvt pathway, cargo protein Ams1 evolved from a cytosolic form likely by acquisition of a binding interface with the cargo adaptors Atg19 and Atg34. Our results indicate that ancestors of the Cvt cargo proteins were likely cytosolic enzymes rather than vacuolar enzymes that were delivered through the conventional secretory pathways.

有孔虫の 大規模分岐年代推定

「生物はいつ誕生したのか？」これは古生物学において根幹的な問いである。真核生物の共通祖先が誕生し、現在の主要真核生物系統に多様化していったことは議論の余地はないが、それではこの進化いつどのようにして起こったのであろうか？近年、大規模遺伝子解析に基づく多くの研究により、主要真核生物系統の系統関係は明らかになりつつある。しかし、その分岐時期に関してはいまだに不明瞭である。その理由として、a)曖昧な化石記録、b)分類群サンプリングの偏りが挙げられる。これらの問題を解決することで分岐年代推定の解像度が改善されるかを検証するために、堅牢な化石記録を持つ微化石生物に着目し、有孔虫・放散虫・珪藻・渦鞭毛藻を含む真核生物主要系統であるSARグループの大規模分岐年代推定を行うことにした。しかし、微化石生物の中で有孔虫の分子データは限られており、そのことで有孔虫内の系統関係もあやふやな状態であった。そこで、本研究では有孔虫の分子データを拡充し、①有孔虫内の系統関係を明らかにし、②堅牢な化石記録に基づき、分類群サンプリングも十分に行ったSARグループの大規模分岐年代推定を行った。その結果、①有孔虫内の系統関係を高い系統学的支持で復元することに成功し、②放散虫と有孔虫の分岐時期がカンブリア紀前期（502-523 Ma）であることがわかった。これは捕食者の目が発達した時代であり、捕食圧が高まったことが放散虫と有孔虫の分岐を促したことがわかった。また、放散虫・有孔虫ともに硬殻を持つ系統がその直後に出現しており、硬殻が外敵の防御から獲得された形質であるとすると、高い捕食圧が放散虫と有孔虫の進化を加速させた可能性が示唆された。