Abstract

渦鞭毛藻類における緑色葉緑体の多様性と進化

緑藻類、紅藻類、灰色藻類は、細胞内に共生したシアノバクテリアの直系の子孫にあたる葉緑体（一次葉緑体）を有している。このシアノバクテリア‐真核生物間の細胞内共生により誕生した葉緑体は、その後の真核細胞進化中で複雑に伝播してきた。一次葉緑体をもつ緑藻類・紅藻類は、系統的に離れた複数の従属栄養性真核生物の細胞内に取り込まれ、葉緑体化したことが分かっている。この真核‐真核間の「二次共生」により、多様な光合成性真核微生物（真核藻類）が出現した。大多数の渦鞭毛藻類葉緑体は、補助色素ペリディニンを含む「ペリニディン型」であり、その起源は細胞内共生した紅藻だと考えられている。その一方、一部の渦鞭毛藻類は系統的に異なる真核藻類が細胞内共生を通して葉緑体化し、ペリディニン型葉緑体と置換した結果である「非ペリディニン型」葉緑体をもっている。本研究の材料であるLepidodinium属渦鞭毛藻類は、緑色を呈する非ペリディニン型葉緑体をもつ系統である。

Lepidodinium属渦鞭毛藻葉緑体はクロロフィルa+bを含むため単細胞緑藻に由来すると考えらてきたが、その詳しい起源は不明であった。これまで我々は、Lepidodinium chlorophorumの葉緑体遺伝子の分子系統解析により、Lepidodinium属渦鞭毛藻類の緑色葉緑体の起源と進化を解明しようと試みてきた。11遺伝子配列の系統解析では、Lepidodinium属葉緑体の起源はウルバ藻綱、トレボキシア藻綱、ペディノ藻綱、緑藻綱の何れかの系統であることまで解明することに成功した。現在我々は、L. chlorophorumの次世代シークエンス（NGS）データに基づく葉緑体ゲノム解読を進めている。この葉緑体ゲノムデータに含まれる43個の葉緑体遺伝子（合計7767アミノ酸座位）を最尤法により解析したところ、L. chlorophorum葉緑体とペディノ藻葉緑体の近縁関係が極めて高い統計学的サポートで支持された。この解析結果は、Lepidodinium属祖先細胞が細胞内共生したペディノ藻を葉緑体化したことを明確に示している。

ではペリディニン型葉緑体から緑藻由来葉緑体への置換は、Lepidodinium属系統のみでしか起こらなかったのであろうか。実は、これまで海水サンプル中に多様な「緑色葉緑体」をもつ渦鞭毛藻類が観察されているが、実験室内での培養が困難なため光学顕微鏡観察しか行われていなかった。しかし最近、我々は山形県鶴岡市と北海道室蘭市周辺で採取した海水から2種の「緑色」渦鞭毛藻細胞を単離し、培養株化することに成功した。興味深いことに光学顕微鏡観察では、緑色渦鞭毛藻「鶴岡株」と「室蘭株」は互いに形態的に異なっていた。また渦鞭毛藻核にコードされる大サブユニットリボソームRNA（rRNA）遺伝子の系統解析では、鶴岡株、室蘭株、Lepidodinium属は単系統とならなかった。この核コードrRNA系統解析の結果は3つの緑色渦鞭毛藻（宿主）系統が互いに近縁ではないこと示唆しているが、顕微鏡観察結果と矛盾しない。一方、葉緑体ゲノムコードの小サブユニットrRNA遺伝子の系統解析では、Lepidodinium属・鶴岡株・室蘭株とペディノ藻葉緑体配列との近縁関係が高い統計学的サポートで復元され、2種の緑色葉緑体がLepidodinium属と共にペディノ藻由来であることを示した。以上の解析結果から、細胞内共生ペディノ藻の獲得と葉緑体化が、系統的に異なる3つの渦鞭毛藻系統（鶴岡株、室蘭株、Lepidodinium属）で独立に起こったと推測できる。本講演で示す研究結果は、渦鞭毛藻葉緑体進化の全体像把握のためには、緑色葉緑体の獲得がどの系統で何回起こったかを解明することが必須であることを示している。

ハプト藻類Chrysochromulina sp.ミトコンドリアゲノムと転移性イントロンの進化

ミトコンドリア（mt）ゲノムの構造や遺伝子組成は非常に多様であり、その比較研究はオルガネラ進化を考える上で非常に重要である。本研究で我々はハプト藻類Chrysochromulina sp.のmtゲノム配列の完全解読に成功した。この約34 kbpの環状ゲノムには2つのrRNAと26個のtRNA、17個のタンパク質遺伝子がコードされていた。また、cox1遺伝子から2つ、rnl遺伝子から1つのグループII（gII）イントロンが発見された。gIIイントロンは通常、内部にORF（IEP;Intron Encoding Protein）をコードしている。Chrysochromulina sp.のcox1 イントロンの一つとrnl イントロンはIEPを有していなかったが、挿入部位の解析から前者は珪藻類と、後者は珪藻類、褐藻類、菌類、紅藻類のイントロンと近縁であると考えられる。他方のcox1イントロンはIEPをコードしており、様々なmtにおけるIEPを用いた系統解析の結果、本IEPはハプト藻類Pavlova lutheriと珪藻類Synedra acusのcox1イントロンにおけるIEPと高い統計学的支持で単系統群を形成した。これらの事実はハプト藻類と珪藻類のcox1におけるgIIイントロンが進化的起源を共有していることと、おそらく水平移動が起こったことを示唆している。よりChrysochromulina sp.に近縁なハプト藻類Emiliania huxleyiにはイントロンは存在しないため、ハプト藻類の共通祖先では本イントロンを有していたが、進化の過程でE. huxleyiのmtゲノムから消失したと考えるのが最節約的である。このように、gIIイントロンはmtゲノムへの侵入や消失を繰り返す非常に複雑な進化的背景を持っている。

嫌気性寄生原虫におけるエネルギー代謝関連タンパク質の分子進化／Molecular evolution of energy metabolisms-related proteins in anaerobic protozoan parasites.

典型的なミトコンドリアを持たない嫌気性寄生原虫Giardia（Fornicata）、Trichomonas（Parabasalia）、Entamoeba（Archaeamoeba）のエネルギー代謝経路は解糖系および発行に類似した基質レベルリン酸化の経路から成り立っている。経路の各反応段階に関与する酵素の多くについて、これら3つの原虫での共通性が示唆されて生きたが、3つの原虫それぞれが系統進化学的に近縁な関係になく、これらの原虫それぞれの特殊化にいたる中間段階の生物の情報も乏しいため、各酵素の進化的期限の詳細については不明な点が多い。我々は、典型的なミトコンドリアの縮退とそれに伴う嫌気的エネルギー代謝機構獲得の過程を解明することを目的として、これら寄生原虫とそれに近縁な自由生活性原生生物との比較解析を進めている。今回我々は、Trichomonasの分岐とGiardiaの分岐の中間に位置づけられる新奇Fornicata生物、CLO-NY0171及びDysnectes brevis、Giardiaの分岐後に分岐したFornicata生物Trepomonas sp.、さらに、西表島の嫌気環境の採集サンプルから筑波大･植物系統分類学研究室のグループによって単離され、Entamoeba histolyticaの分岐以前に分岐したものとして位置づけられる新奇アメーバEntamoeba sp.、の4生物種について発現遺伝子の網羅的シークエンス解析を行った。これらのデータを元に、嫌気的エネルギー代謝に関与する諸タンパク質の詳細な分子系統解析を行った結果、一部の解糖系酵素と嫌気的エネルギー代謝の鍵となる酵素の進化において、さまざまな真正細菌からの遺伝子水平転移が重要な役割を果たしてきたという複雑な進化史が明らかとなった。

新奇生物種の単離と大規模分子系統解析が解明（？）する真核生物の多様性と系統関係

近年のシークエンス技術の発達とそこから得られる大量の配列データを元にした大規模分子系統解析（所謂phylogenomics解析）は、真核生物の系統関係を高精度で解明することができると期待されている。しかし、自然環境中にはこれまで記載されていない未知の真核生物が多数生息しており、我々は真核生物の多様性を十分に把握しているとは言えない。従って、真核生物進化・系統を理解するためには、系統的に多様な生物種から大量配列データを取得し、系統解析を行う必要がある。本講演では、①これまでに我々が把握した真核生物多様性の現状、②phylogenomics解析により明らかとなった各種真核生物の系統関係、③新た浮上した真核生物進化・系統に関する問題点を、我々の研究成果を紹介しつつ解説いてゆく。

An intron-rich mitochondrial cox1 gene of the katablepharid Roombia sp. NY0200.

The fungus Agaricus bisporus mitochondrial (mt) genome is known to bear a cytochrome c subunit 1 (cox1) gene of ca. 30 Kbp including introns. Here, we renew this recode by the cox1 gene isolated from the katablepharid Roombia sp. NY0200. The Roombia cox1 gene is composed of ca. 40 Kbp including 14 introns, and two of these were found to be 'introns-harboring-intron(s).' This level of intron density was not found in the cox1 gene of another katablepharid Leucocryptos marina, or other eukaryotes except fungi. As none of the 14 introns in the Roombia cox1 gene shares the homing position with the single intron in the Leucocryptos cox1 gene, massive intron invasion or secondary loss of intron most likely occurred during the mt genome evolution in katablepharids. Our sequencing effort revealed that other genes in the Roombia mt genome host multiple introns, indicating the extraordinary intron-rich nature of this mt genome.

The genes encoding EF-1α and EFL genes co-exist in distantly related eukaryotic genomes.

Translation elongation factor 1α (EF-1α) and elongation factor like (EFL) protein are functionally homologous to one another, and are patchily distributed in eukaryotes. This complex EF-1α/EFL distribution can be derived from the ancestral organism possessing both EF-1α and EFL genes, followed by differential losses of either of the two elongation factor genes in the descendants. Prior to this study, the diatom Thalassiosira pseudonana and the fungus Basidiobolus ranarum were known to possess both EF-1α and EFL genes, suggesting that they retain the ancestral 'dual-EF' status. Similar to diatoms or fungi, several monophyletic assemblages comprising 'EF-1α-containing' and 'EFL-containing' species are known, but no 'dual EF-containing' species has been found in those assemblages. In this work, we successfully identified new dual EF-containing species within the Goniomonadida, the Stramenopiles, the Fungi, and the Apusomonadida. The results presented here strongly suggest that dual EF-containing organisms are ubiquitous in eukaryotic Tree of Life.

Pedinophyte-origin of the non-canonical plastids in the dinoflagellate genus Lepidodinium.

The members of the dinoflagellate genus Lepidodinium are known to bear chlorophyll (Chl) a+b-containing plastids, which were most likely established through the endosymbiosis of a unicellular green alga. However, none of the pioneering studies succeeded in pinpointing the green algal lineage that gave rise to the current Lepidodinium lastids. So far, our previous works on both plastid-encoded genes and pigment composition excluded Streptophyta or Prasinophyceae from the origin of the Lepidodinium lastids. In this work we identified the transcripts of 43 plastid-encoded genes in our transcriptomic data from Lepidodinium chlorophorum, and assembled a 43-gene alignment including 7,767 amino acid positions. Both maximum-likelihood and Bayesian phylogenetic analyses of the 43-gene alignment robustly united L. chlorophorum and the pedinophyte Pedinomonas minor together. Thus, we conclude that the ancestral Lepidodinium pecies established the Chl-a+b-containing plastid from an endosymbiotic pedinophyte.

Morphological identities of two MAST-13 (marine stramenopile) environmental sequence clades.

Environmental sequence surveys have demonstrated substantial diversity of unidentified lineages of marine protists, so-called “uncultured eukaryote lineages” in GenBank. Although these DNA sequences improve our understanding of global biodiversity, interpretation of these data is limited by the absence of associated morphological traits. Among the most common lineages recovered from marine environments, were several environmental sequence clades of stramenopiles called “MAST clades” (i.e., marine stramenopiles). Fourteen MAST clades have been recognized so far: MAST-1 through MAST-12, and two different MAST-13 clades. After establishing cultures, we characterized the molecular phylogenetic positions and ultrastructural features of two different species that represent both MAST-13 clades: (1) a lorica-bearing Bicosoeca sp. (NY0214) and (2) a microaerophilic “Cafeteria marsupialis” (NY0206). These data provided the morphological insights into the two different environmental sequence clades, and expanded our overall understanding of marine stramenopile diversity.

Progress in placing newly discovered protist lineages in the deep tree of eukaryotes: Tskuubamonas globosa and Palpitomonas bilix.

Recent ‘phylogenomic’ analyses of large-scale alignments enable us to outline the evolutionary relationship amongst major eukaryotic lineages. However, it is naive to believe that phylogenomic analyses conducted to date have covered the true diversity of eukaryotes, particularly that of unicellular eukaryotes (protists). Our group has been made an effort to discover novel protists, which may hold keys to tackle unresolved issues in eukaryotic evolution. We are particularly interested in establishing laboratory cultures of new protists to collect both morphological and molecular data. In this presentation, we introduce phylogenomic studies which successfully clarified the phylogenetic positions of two novel protists, Tsukubamonas globosa and Palpitomonas bilix, and discuss their significance for understanding the evolution of Discoba and Hacrobia, respectively.

The origin of the Giardia mitosome demystified: comparative analyses of predicted organellar proteomes across free-living and parasitic metamonads.

The protistan parasites Trichomonas and Giardia both belong to an anaerobic clade called the Metamonada. Both protists lack classical mitochondria and aerobic respiration. Instead they contain mitochondrion-related organelles (MRO) and distinctive anaerobic ATP generation pathways. Trichomonas’ MROs are hydrogenosomes that generate ATP anaerobically, producing H2 as a by-product whereas Giardia possesses mitosomes, which are extremely reduced and whose only function is iron-sulfur cluster biosynthesis. Recently, an array of free-living, anaerobic metamonads was discovered -- Carpediemonas-like organisms -- that have reduced mitochondrial organelles. We have obtained transcriptomic data from 9 of these isolates, reconstructed putative organellar proteomes of their mitochondria-related organelles and performed phylogenomic analyses (163 genes) to obtain a fully resolved tree of Metamonada. Our comparative analyses of the predicted MRO functions across this phylogeny allow us to infer the major evolutionary transitions that led to origin of hydrogenosomes and mitosomes.

独自の光合成シアノバクテリア共生体を持つ有殻アメーバPaulinella chromatophoraにおけるテトラピロール合成系の進化.

テトラピロールはヘムやシトクロム、クロロフィルなどの生命に必須な分子の前駆体であり、テトラピロールは真核生物で広く保存された7~8段階の反応で合成される。しかし反応の最初の段階であるアミノレブリン酸の合成は、光合成性では葉緑体、従属栄養性生物ではミトコンドリアに由来する酵素によって行われている。また、光合成生物ではそれ以降の反応も葉緑体由来の遺伝子が担っている。ケルコゾアに属する有殻アメーバPaulinella chromatophoraはシアノバクテリアに由来する光合成オルガネラ（有色体）を持つが、その起源は他の真核生物の色素体とは独立である。そこで我々はオルガネラ獲得に伴うテトラピロール合成経路の進化を探るためにP. chromotophoraの網羅的発現遺伝子解析を行い、宿主由来のテトラピロール合成関連遺伝子が核ゲノムにコードされていることを発見した。一方、有色体ゲノムにもほぼ全てのテトラピロール合成遺伝子がコードされている。P. chromatophoraが2つのテトラピロール合成系を保持することは、葉緑体に比べ有色体は宿主への依存度が低いことを反映していると考えられる。

窒素固定オルガネラ？ - 珪藻細胞内共生シアノバクテリアに見るゲノム縮小進化 【シンポジウム『進化的原動力としての共生』にて発表】

Rhopalodia科珪藻は葉緑体の他に、Spheroid bodyと呼ばれる細胞内共生シアノバクテリア由来の構造を持つ。Spheroid bodyは宿主珪藻に窒素固定産物を供給する器官として、宿主細胞の世代を通じて恒久的に保持されていることが明らかとなっている。今回我々は世界に先駆けて、Rhopalodia科珪藻Epithemia turgidaにおけるSpheroid bodyゲノム（2.79Mbp）の完全解読に成功した。近縁なシアノバクテリアのゲノム情報と比較した結果、Spheroid bodyゲノムは縮小しており、多数の遺伝子を失っていることが示された。また光合成関連遺伝子のほとんどが欠失・偽遺伝子化していたことから、Spheroid bodyは既に独立栄養生活を行えず、宿主からの物質供給に完全依存していると予想される。さらにゲノム上には欠失した遺伝子の名残が偽遺伝子として未だに残存しており、ゲノムの退縮は現在も進行中であることが示唆された。これらの特徴から、Spheroid bodyはオルガネラ進化の中途段階にあると考えられる。

真正細菌由来翻訳終結因子パラログにおける相同組換えの検出

真正細菌における翻訳終結因子（bacterial Release Factor, 以下bRF）には、認識する終止コドンの種類が異なる2つのパラログ（bRF1, bRF2）が存在する。bRF1と2は真正細菌の共通祖先において遺伝子重複によって生じた後、それぞれ独立に進化したと考えられるが、一方でこれらのパラログは構造的・機能的に非常に高い相同性をもつ。今回、真正細菌のうちバクテロイデス門に属する8属51種由来のbRFアミノ酸配列を精査したところ、2つのパラログ間で特徴的なX-Yアミノ酸残基の挿入配列が共有されることが発見された。最尤法に基づく分子系統解析結果から、バクテロイデス門の進化中でbRF2から1へ共有挿入配列を含む周辺領域の相同組換えが起こったことが推測された。また、推測された相同組換え領域は、bRFパラログの立体構造上でリボソームのペプチド結合転移反応中心と相互作用するために必要なドメイン内に位置することも判明した。本研究で得られた解析結果は、bRFパラログ同士が高い相同性を維持してきた進化的背景には、相同組み換えによる配列情報の均質化が重要な要素として関わってきたことを示唆している。

Karenia属渦鞭毛藻における進化的起源の異なる葉緑体型GAPDHの進化と細胞内局在 【ワークショップ『ウズベン葉緑体の進化』にて発表】

渦鞭毛藻Karenia brevisは渦鞭毛藻類が本来持つペリディニン型葉緑体をハプト藻葉緑体と置換した。本種の核にはペリディニン型葉緑体型GAPDHと、ハプト藻葉緑体型GAPDHをコードするgapC1-pおよびgapC1-h遺伝子が存在する。これらのタンパク質配列のN末端には葉緑体移行シグナル様配列があり、一次構造解析ではどちらが本種の葉緑体で機能するGAPDHかは不明だった。本研究ではK. brevisの「葉緑体型」GAPDHのN末端配列の葉緑体移行能を検証した。gapC1-p/gapC1-hプレ配列を融合した緑色蛍光タンパクをトキソプラズマ細胞で発現させた結果、検討したN末端プレ配列はいずれも葉緑体移行能をもつと推測できた。しかし2種のgapC1遺伝子の発現量の差から、Karenia属の葉緑体ではGapC1-hが主に機能すると考えられる。本講演ではK. brevisの近縁種で行った実験結果と合わせ、Karenia属葉緑体型GADPHの進化について議論する。

紅（アカ）からミドリへのお色直し―渦鞭毛藻類における緑藻類由来葉緑体の獲得― 【ワークショップ『ウズベン葉緑体の進化』にて発表】

光合成性渦鞭毛藻は、一般にペリディニン色素を含む紅藻を起源とする葉緑体をもつ。しかし、Lepidodinium virideとL. chlorophorumの2種のみから成るLepidodinium属は葉緑体置換により緑藻類由来葉緑体を獲得した唯一の系統として知られていた。著者らは、2011年9月に山形県鶴岡市沿岸および北海道室蘭市沿岸で採取した海水試料から、新奇緑色渦鞭毛藻2株の培養株を確立することに成功した。顕微鏡観察と核rRNA遺伝子塩基配列の解析から、これら2株の宿主系統はLepidodinium属渦鞭毛藻類とは異なることが明らかとなった。また、葉緑体遺伝子塩基配列の解析から、2株の緑色葉緑体は緑藻類由来であることが判明した。以上の結果は、緑藻類由来葉緑体を有する渦鞭毛藻類がこれまで考えられてきた以上に多様であることを示唆する。本発表では、新奇緑色渦鞭毛藻類から得た形態および分子情報を、これまでに知られているLepidodinium属との知見と比較することで、渦鞭毛藻類における緑藻由来葉緑体の起源と進化について議論する。

Fornicata生物のミトコンドリア関連オルガネラタンパク質におけるmatrix targeting signal.

Fornicata生物群は嫌気環境に適応して典型的なミトコンドリア（mt）を失い、縮退したmt関連オルガネラ（MRO）を保持している。MROで機能するタンパク質はその全てが核ゲノムコードであるため、それらは細胞質で翻訳された後MROに輸送される。我々は同生物群におけるMRO標的シグナルの進化を明らかにするため、未記載CLO種NY0171株、Dysnectes brevis、Trepomonas sp.の3種に対するトランスクリプトーム解析を行い、推定MROタンパク質を同定した。上記3生物種から得た合計98種類のMROタンパク質のmRNA5'末端配列を決定したところ、47種類でN末端側に伸長が見られた。これらのMROタンパク質では、mt標的タンパク質と同様にN末端領域にMRO標的シグナルが存在することを示唆している。in silico解析によりN末端伸長配列におけるアミノ酸の性質や同領域の構造について精査した結果、全てのMROタンパク質において共通な一次構造や二次構造上の特徴は発見できなかった。このことからこの3種におけるMROタンパク質輸送機構に多様性があり、新規機構が存在する可能性がある。

Morphologies and phylogenetic characteristics of two novel dinoflagellates with green-colored chloroplasts.

We recently isolated novel green-colored dinoflagellates from sea water sampled in Japan, and successfully established two strains (TGD and MGD). Importantly, they are morphologically distinctive from the previously studied green-colored lineage Lepidodinium spp. Strains TGD and MGD have been stably maintained as mono-algal cultures in the laboratory for more than a year. Both strains are ellipsoidal cells, measuring ca. 15.4 μm-long and 8.7 μm-wide, and ca. 14.9 μm-long and 7.9 μm-wide, respectively. The two strains are different from each other in the following points: the shape of the posterior end of the hypocone, the size of the apical groove, the overall shape and number of chloroplasts, and the arrangement of pyrenoids. Interestingly, the peri-platidal compartment with ribosome-like particles was identified in both strains. We determined the host nucleus-encoded 28S and plastid-encoded 16S rDNA sequences of strains TGD and MGD. The host and plastid phylogenies suggest that MGD, TGD, and Lepidodinium spp. are distantly related from one another, but are common in possessing peridnophyte-derived chloroplasts. The results imply that the diversity of ‘green’ dinoflagellates has been largely underestimated.

独自の光合成シアノバクテリア共生体を持つ有殻アメーバPaulinella chromatophoraにおけるテトラピロール合成系の進化.

テトラピロールはヘムやシトクロム、クロロフィルなど生命に不可欠な物質の前駆体である。テトラピロールは真核生物全体で広く保存された７～８段階の反応により合成される。しかし反応の最初の段階であるアミノレブリン酸の合成は、光合成性生物ではC₅経路、従属栄養性生物ではC₄経路と呼ばれる、それぞれ由来の異なる反応により行われている。また、光合成性生物は核ゲノムに葉緑体由来のテトラピロール合成系遺伝子をコードしており、葉緑体獲得後にこれらの遺伝子がどのような進化を辿ったか興味深いところである。ケルコゾアに属する光合成性有殻アメーバPaulinella chromatophoraはシアノバクテリアに由来する光合成オルガネラ（有色体）を持つ。その進化的起源は一度の細胞内共生によって誕生した葉緑体とは独立のものと考えられている。有色体ゲノムは葉緑体に比べてゲノムサイズが遥かに大きいこと、近縁種のP. ovalisは有色体を持たないことから、P. chromatophoraの有色体獲得はPaulinella属の確立後に起こった極めて最近のイベントであると考えられる。我々はP. chromatophoraの網羅的発現解析データからテトラピロール合成に関わる酵素を探索し、C₄経路から始まるほぼ全てのテトラピロール合成系遺伝子を同定した。一方、有色体ゲノムにはC₅経路を含む複数のテトラピロール合成系遺伝子がコードされている。本発表ではそれぞれの遺伝子の系統解析に基づき、オルガネラの獲得に伴う代謝経路の進化について議論する。

“窒素固定オルガネラ”に向けたゲノム縮小進化.

Rhopalodia科珪藻は葉緑体の他に、Spheroid bodyと呼ばれる細胞内共生シアノバクテリア由来の構造を持つ。Spheroid bodyは宿主珪藻に窒素固定産物を供給する器官として、宿主細胞の世代を通じて恒久的に保持されていることが明らかとなっている。今回我々は世界に先駆けてSpheroid bodyゲノム（2.79Mbp）の完全解読に成功した。近縁なシアノバクテリアのゲノム情報と比較した結果、Spheroid bodyゲノムは縮小しており、多くの遺伝子を失っていることが示された。既に光合成能を欠くことも明らかとなり、宿主からの物質供給に完全依存していると予想される。また、ゲノム上には欠失した遺伝子の名残が偽遺伝子として未だに残存していたことから、ゲノムの退縮は現在も進行中であり、Spheroid bodyはオルガネラ進化の中途段階にあると考えられる。

Karenia属渦鞭毛藻類における進化的起源の異なる葉緑体型GAPDHの細胞内局在.

渦鞭毛藻類Karenia brevisは渦鞭毛藻類が本来持つペリディニン型葉緑体をハプト藻類葉緑体と置換したことが知られている。本種の核ゲノムにはペリディニン型葉緑体用GAPDHと、ハプト藻葉緑体用GAPDHをそれぞれコードするgapC1-pおよびgapC1-h遺伝子がともに存在する。これら2種のタンパク質配列は、GAPDH配列に加え、そのN末端に葉緑体移行シグナル様伸長配列を有するため、一次構造配列解析ではどちらがKarenia属葉緑体で機能するGAPDHは不明であった。本研究では、K. brevisの「葉緑体型」GAPDHのN末端伸長配列の機能を検証し、真の葉緑体型GAPDHがどちらなのかを究明した。緑色蛍光タンパク（GFP）遺伝子のN末端にgapC1-p/gapC1-hプレ配列を付加した組み換えタンパク質をアピコンプレクサ類Toxoplasma gondiiで発現させた結果、検討したN末端プレ配列はいずれも葉緑体移行シグナルとして機能しうると推測できた。しかしK. brevis細胞内におけるgapC1-p遺伝子の発現量はgapC1-h遺伝子と比較して極めて低いため、Karenia属渦鞭毛藻類の葉緑体ではGapC1-hがGAPDHとして主に機能すると考えられる。

Paulinella chromatophoraにおけるテトラピロール生合成系の進化.

テトラピロールはヘムやシトクロム、クロロフィルなどの生命に必須な分子の前駆体である。テトラピロールは真核生物で広く保存された7~8段階の反応で合成されるが、葉緑体を獲得した生物ではこの経路の遺伝子が共生体由来のものに置き換わっている。ケルコゾアに属する有殻アメーバPaulinella chromatophoraはシアノバクテリアに由来する光合成オルガネラ（有色体）を持つが、その起源は他の真核生物の色素体とは独立である。そこで我々はオルガネラ獲得に伴うテトラピロール合成経路の進化を探るためにP. chromotophoraの網羅的発現遺伝子解析を行い、宿主由来のテトラピロール合成関連遺伝子が核ゲノムにコードされていることを発見した。一方、有色体ゲノムにもほぼ全てのテトラピロール合成遺伝子がコードされている。P. chromatophoraが進化的起源の異なる2つのテトラピロール合成系を保持することは、同じ光合成オルガネラである色素体に比べ有色体の宿主への依存度が低いことを反映すると考えられる。

Rhopalodia科珪藻楕円体は進化的に「若いオルガネラ」である：Epithemia turgida楕円体ゲノム解析.

我々は、珪藻Epithemia turgida細胞の窒素固定を司るシアノバクテリア共生体（楕円体）のゲノム解析を行った。この共生体は約2.7 Mbpの環状ゲノムをもつと判明し、多数の偽遺伝子を持ちオルガネラ化に伴うゲノム縮退の途上にあると考えられる。またこれまで研究されたバクテリア共生体は宿主からのアミノ酸供給が必要だと推測されるが、ゲノムデータに基づくとE. turgida楕円体は20種類のアミノ酸合成可能だと考えられる。以上のデータは、E. turgida楕円体は宿主依存性が低い、進化的に「若い」共生体であることを示唆する。

Rhopalodiacean diatoms are known to possess 'spheroid bodies,' cyanobacterium-derived obligate endosymbionts derived from a nitrogen-fixing cyanobacterium. To assess the integration of spheroid bodies into the host (diatom) cells, we completely sequenced the genome of the spheroid body in Epithemia turgida. The E. turgida spheroid body genome was found to be a circular chromosome of approximately 2.7 Mbp in size. Intriguingly we identified more than 200 pseudogenes in this endosymbiont genomes, suggesting that genome streamlining is still on-going. In sharp contrast to other obligate bacterial endosymbionts studied to date, the spheroid body in E. turgida is most likely capable of synthesizing 20 amino acids. Based on the genome data, we concluded the spheroid bodies in Rhopalodiacean diatoms as evolutionally 'young organelles.'

カタブレファリス類Roombia sp.のミトコンドリアゲノムにはイントロンが極めて多い.

真核生物系統間で、ミトコンドリア（mt）ゲノムにコードされる遺伝子の構成やその構造に大きな多様性があることが分かっている。オルガネラゲノム進化中では縮小圧が定常的に働いてきたと考えられるが、mtゲノムでは転移性イントロンの獲得と喪失が繰り返されていることが明らかとなりつつある。我々はカタブレファリス類Roombia sp. NY0200のmtゲノムを解読中であるが、これまで決定したmtゲノム断片中には極めて多数のイントロンが同定されている。特にRoombia cytochrome c subunit 1（cox1）のコード領域は全長約39 Kbpに及び、約1.3 Kbpのエキソン領域と17個のイントロン（合計約38 Kbp）から構成されていた。本研究以前には菌類Agaricus bisporusのcox1遺伝子（約30 Kbp；含む19個のイントロン）が最長のmt遺伝子であったが、Roombia cox1遺伝子はこの記録を大きく塗り替えることとなった。現在決定中である他のmt遺伝子にも頻繁にイントロンが観察されており、Roombiaは極めてイントロンに富んだmtゲノムもっていると推測できる。

Fornicata生物のミトコンドリア関連オルガネラタンパク質におけるmatrix targeting signalの調査.

生物群は嫌気環境に適応して典型的なミトコンドリアを失い、退化型のミトコンドリアであるmitochondria-related organelles (MRO) を保持している. 我々はFornicata生物群におけるMROの進化を明らかにするため、未記載種Carpediemonas-like organisms NY0171, Dysnectes brevis, Trepomonas sp. の3種に対する網羅的遺伝子発現解析を行い, 各々でMROタンパク質を複数同定した. これらのタンパク質が細胞質で合成されたのちMRO matrixに輸送される際には, ミトコンドリア matrixへの輸送シグナルと類似したシグナルが利用されていると予想されている. そこで本研究では3種から得たMROタンパク質のmRNAの５’側配列を決定しN末端部分を含むアミノ酸配列を得てin silico解析によりMROへのシグナルについて調査した.