Abstract

non-homogeneous置換モデルを搭載した系統解析プログラムのMPI/OpenMPハイブリッド並列化：大規模遺伝子配列データセットへの適用に向けて／Hybrid MPI/OpenMP parallelization of a phylogenetic program with non-homogeneous models: for the analyses of large-scale sequence datasets.

分子系統解析では現存する生物種から得られた遺伝子配列を材料とし, 置換モデルと呼ばれる速度行列を用いて進化系統樹を推測する。多様な生物種より得られた大規模遺伝子配列データを解析する場合, パラメータの異なる複数の置換モデルを用意し, 遺伝子配列の進化プロセスが進化の各段階で変化することを許容する方法も考案されているが, このような「non-homogeneousな置換モデル」では推定すべきパラメータ数と計算時間が飛躍的に増大するという問題が生じる. 本研究ではnon-homogeneous置換モデルを搭載した既存の系統解析プログラムにMessage Passing Interface（MPI）及びOpenMPによるハイブリッド並列計算技術を導入し, 系統樹推測の高速化を目指した.

フォルニカータ生物群におけるミトコンドリア関連オルガネラ標的シグナルの分子進化.

ヒトの腸管寄生虫Giardia intestinalisが属するフォルニカータ（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、そのかわりに縮退したmt関連オルガネラ（MRO）を保持している。フォルニカータ生物群のMROで機能するタンパク質はその全てが核ゲノムにコードされていると考えられるため、それらは細胞質で翻訳された後MROに輸送される必要がある。

我々はフォルニカータ生物群におけるMRO標的シグナルの進化を明らかにするため、GiardiaとともにDiplomonadidaに所属するTrepomonas sp.、GiardiaとTrepomonasの分岐以前に分岐したCLO-NY0171（未記載株）及びDysnectes brevis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種から得た合計98個の推定MROタンパク質のmRNA 5’末端配列を決定したところ、47配列でN末端側に伸長が見られた。in silico解析による伸長領域の構造やアミノ酸の性質を精査した結果、共通してみられる一次及び二次構造上の特徴は発見できなかった。

また上記3種、Giardia及びフォルニカータの姉妹群であるパラバサリアに属しMROを有するTrichomonas vaginalisの合計5生物種を対象に、MROへ輸送される可能性が高い推定MROタンパク質9種類についてN末端領域の特徴を比較解析した。その結果、mt標的シグナルにみられる二次構造はほとんど保存されてないこと、N末端領域にシグナル自体が発見されないタンパク質も存在することが明らかになった。このことからフォルニカータ生物群におけるMROタンパク質輸送機構が多様であり新規機構が存在する可能性が示唆された。

緑藻由来葉緑体をもつ渦鞭毛藻における葉緑体型gapdh遺伝子の進化

光合成性渦鞭毛藻の多くは紅藻の二次共生に由来する葉緑体を持つが、いくつかの系統では紅藻以外の真核生物を起源とする葉緑体を保持している。このような現象は、細胞内共生した多様な真核藻類が葉緑体化し、元々保持していた紅藻由来葉緑体と置換した結果だと考えられている。葉緑体置換に伴い、共生体の核コード遺伝子が宿主（渦鞭毛藻）核に水平転移し、宿主核に元々存在した相同遺伝子の置換も起こっているが、グリセルアルデヒド-3-リン酸脱水素酵素（GAPDH）遺伝子はその一例である。

本研究では、緑藻由来葉緑体を獲得した未記載渦鞭毛藻2種（鶴岡株・室蘭株）のトランスクリプトーム解析を行い、gapdh配列を探索した。この2株の共生体は緑藻を起源としており、葉緑体型gapdhは緑藻由来配列の検出を想定していた。ところが鶴岡株、室蘭株からは共通してハプト藻由来葉緑体型gapdh配列が発見され、葉緑体型gapdhと葉緑体の起源は一致しないことが判明した。これは同じく緑藻由来葉緑体をもつLepidodinium chlorophorumと共通した特徴である。一方で宿主遺伝子に基づく系統解析では、Lepidodinium属、鶴岡株、室蘭株はいずれも独立した系統と考えられるため、3つの独立した葉緑体置換系統が独立にハプト藻由来葉緑体型gapdhを獲得したと考えざるを得ない。

Rhopalodia科珪藻における細胞内共生シアノバクテリアのゲノム縮小進化

Rhopalodia科珪藻は葉緑体やミトコンドリアに加え、Spheroid bodyと呼ばれるシアノバクテリア由来の細胞内共生体を持つ。他の珪藻類とは異なり、Rhopalodia科珪藻は窒素源を含まない培地中でも生育可能であることから、Spheroid bodyは窒素固定を行い、その産物を宿主に供給していると考えられている。Spheroid bodyは宿主珪藻の細胞質中に常に観察され、細胞外では培養できないことから、宿主細胞に既に統合されていることが示唆される。今回我々はSpheroid bodyがどの程度宿主細胞に統合されているかを検証するため、Rhopalodia科珪藻Epithemia turgidaにおけるSpheroid bodyの全ゲノム解読を行なった。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ゲノムは縮退しており、多数の遺伝子を失っていることが明らかとなった。特に光合成関連遺伝子のほとんどを欠失している一方で窒素固定に関連する遺伝子はすべて確認されたことから、Spheroid bodyゲノムは窒素固定に特化したゲノムへと縮退進化したことが示唆された。さらに、ゲノム上には多数の偽遺伝子が残存しており、退縮は現在も進行中であることが予想される。

Inter- or Intra-genomic gene conversions between peptide-chain release factor paralogs in Bacteroidetes.

Peptide-chain release factor paralogs in bacteria, RF1 and RF2, recognize stop codons, and promote the release of nascent polypeptides from the ribosome. RF1 and RF2, which are slightly different from each other in codon specificity, share apparent sequence similarity, suggesting that they were separated from each other through a single gene-duplication event. The duplication of RF genes likely occurred in the ancestral bacterial genome, as all bacteria primarily possess the two RFs. Therefore, the two RF families are generally expected to take independent evolutionary paths after the ancestral gene duplication. However, in the present study, our tests based on the phylogenetic and the statistical frameworks revealed inter- or intra-genomic conversions of the 71-aa gene fragment between RF1 and RF2 in 58 species of the phylum Bacteroidetes. Intriguingly, The putative region for gene conversions appears to cover the almost entire portion of “domain 3” in RF1 and RF2, which plays important role in the interaction with the peptydyl-transferase center in 50S subunit of the ribosome, followed by the catalysis of peptidyl-tRNA ester-bond hydrolysis and the release of polypeptides from the ribosome. Most significantly, function and structure of the domain 3 were highly conserved among RF paralogs, which implies that the inter- and intra-genomic conversions of genetic materials between these “informational” genes can be “acceptable”. On the other hand, we also identified the acquisition and the loss of characteristic 12-aa motif between the domains 3 of two RF families through gene conversions. From these results, in this presentation, we discuss about the driving force behind the conversions of genetic materials between RF1 and RF2, which would help in depth understanding the complicated evolution of paptide-chain release factors in Bacteroidetes.

Paulinella chromatophora retains two evolutionarily distinct pathways for tetraphyrrole biosynthesis.

synthesis of tetrapyrrole (TP) is critical for all organisms. The TP biosynthetic pathway in the plastid-bearing eukaryotes was established by replacement of the ancestral (heterotrophic) genes with those acquired from the cyanobacterial endosymbiont that gave rise to the first plastid. However, we have no precise knowledge regarding the evolution of the TP biosynthetic pathway in a testate amoeba Palinella chromatophora (Pc), which acquired an obligate cyanobacterial endosymbiont for photosynthesis (so-called cyanelle) after separating from a closely related but heterotrophic relative in the same genus. We generated the RNA-seq data of Pc strain MYN1, and successfully identified the genes in the heterotrophic-type TP biosynthesis pathway. The genome data of the cyanelle in strain MYN1 confirmed that the endosymbiont still retains the cyanobactrium-type pathway. These results strongly suggest that Pc possesses two evolutionarily distinct pathways for TP biosynthesis, corresponding to a putative early stage of plastid acquisition, in which the ancestral (heterotrophic-type) pathway has yet to be replaced with the cyanobacterial homologues. Intriguingly, two enzymes in the heterotrophic-type pathway in Pc displayed phylogenetic affinities exclusively to the homologues in plastid-bearing eukaryotes, implying that Pc had some ‘evolutionary contact’ with plastid-bearing eukaryotes prior to the acquisition of the cyanelle.

Complex evolution of plastid GAPDHs in the dinoflagellate species with green alga-derived plastids.

Typical photosynthetic dinoflagellates possess red alga-derived plastids. However, some minor groups replaced their original plastids by the plastids of other eukaryotic algae enslaved as endosymbionts. The nuclear genomes of these dinoflagellates encode the genes with the apparent phylogenetic affinity to the endosymbiont, suggesting that plastid replacement triggered endosymbiotic gene transfer.

In this study, we investigated the origins of plastid glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenases (GAPDHs) in two novel dinoflagellate species with green alga-derived (Chl-a+b) plastids, strains TGD and MGD. Considering the plastid origins in strains TGD and MGD, we anticipated the ‘green algal’ version of plastid GAPDH genes in both two strains. Unexpectedly, both strains were found to possess haptophyte-type GAPDHs for their green alga-derived plastids. Intriguingly the haptophyte-type plastid GAPDH was detected in Lepidodinium chlorophorum, which bears a Chl-a+b plastid (Takishita et al. 2008) but is distantly related to strain TGD or MGD in the dinoflagellate phylogeny. Altogether, two competing scenarios are possible to explain the distribution of the haptophyte-type plastid GAPDHs in dinoflagellates with Chl-a+b plastids; one assuming that the haptophyte-typte plastid GAPH gene was spread into distantly related dinoflagellates by multiple lateral gene transfers, and the other assuming that the particular GAPDH gene was established ancestrally and descended vertically during dinoflagellate evolution.

Mitochondrial genome of Palpitomonas bilix: unique genome structure and ancestral characteristics in gene content.

Palpitomonas bilix branched at the basal position of a clade of cryptophyes, goniomonads, and kathabrepharids in a recent phylogenomic analysis. In this study, we determined the mitochondrial (mt) genome of P. bilix by using a next generation DNA sequencing technique. The P. bilix mt genome was assembled as a single linear molecule with approximately 75 kbp in length. The mt genome appeared to comprise a single copy region (~15 kbp) and nearly identical inverted repeats (~30 kbp) flanking at both 5′ and 3′ ends of the single copy region. Intriguingly, the overall structure of P. bilix mt genome strikingly resembles that of a colponemids-like organism recently reported by Janouskovec et al. (2013), although the two organisms belongs to two distantly related groups in the tree of eukaryotes (Cryptista and Alveolata). We identified 40 protein-coding genes, three ribosomal RNA genes, and 20 tRNA genes in the P. bilix mt genome. Comparisons of mt gene content between P. bilix and diverse eukaryotes illuminated the ancestral characteristics of the mt genome determined in this study. Significantly, some of the protein-coding genes found in the P. bilix mt genome have not been found in any mt genomes determined to date, except those of jakobids.

A snap shot of the gene replacement after endosymbiotic gene transfer: plastid-targeted GAPDHs in the dinoflagellete Karenia brevis as a case study.

Unlike the vast majority of photosynthetic dinoflagellates containing ‘peridinin-type’ plastids, members of the genus Karenia possess atypical ‘haptophyte-derived’ plastids. The ancestral (peridinin-type) plastid was most likely replaced by the endosymbiotic haptophyte, of which cellular structures were degraded except plastid. The plastid replacement likely associated with transfer of ‘haptophyte’ genes to the host (dinoflagellate) genome, and a part of those replaced their endogenous orthologues in the host genome. Karenia brevis are reported to possess haptophyte-type and original (perinin-type) ‘plastid’ GAPDH genes -- the former was transferred from the endosymbiont, while the latter has resided in the host genome prior to the plastid replacement. We here investigated the structures and quantities of the two gene transcripts, and expressed the two GAPDHs in the model apicomplexan parasite Toxoplasma gondii to predict their cellular localizations. Both ‘plastid’ GAPDH gene transcripts carried the GAPDH-coding region with the N-terminal extension, which potentially acts as plastid-targeting signal. Indeed, the green fluorescent proteins fused to the two N-terminal extensions were found to be localized in apicoplast in T. gondii, suggesting that both GAPDHs can be targeted to the K. brevis plastid. Nevertheless, the peridinin-type gene appeared to be transcriptionally suppressed, comparing to the haptophyte-type gene. These results strongly suggest that the two ‘plastid’ GAPDH genes in K. brevis represent an intermediate step of the gene replacement after endosymbiotic gene transfer, in which the exogenous (haptophyte-type) gene is about to replace the endogenous (peridinin-type) gene.

"Green genes" in novel green colored dinoflagellates: signs of the nucleomorph genomes.

Plastid acquisitions through endosymbioses with red and green algae (secondary endosymbioses) gave rise to multiple lineages with complex plastids, and have expanded the diversity of eukaryotes. During secondary endosymbioses, both genome of a host and that of an endosymbiont were rearranged. In particular, the nuclear genome of the endosymbionts has been severely reduced or completely lost in many cases. Nucleomorphs are the remnant nuclei of the photosynthetic endosymbionts, which can be seen only in cryptophytes and chlorarachniophytes. Despite different origins of the plastids, the genomes of nucleomorphs both in cryptophytes and chlorarachniophytes are similar in size and structure suggesting a striking convergent evolution. Recently we discovered that two dinoflagellate strains with green alga derived-plastids possess nucleomorphs within the periplastidal compartments. Comparison between the newly found and previously sequenced nucleomorph genomes is expected to provide insights to understand the reductive evolution of eukaryotic genome and genome rearrangement in secondary endosymbioses. However, the nucleomorph genomes of the dinoflagellates have yet to be sequenced, and thus the information of the genome is nuclear.

We here obtained RNA-seq transcriptomic data from the two newly found dinoflagellate isolates to survey for the genes acquired from the green algal endosymbiont. Both dinoflagellate isolates were found to express “green” genes for translation, transcription and intron splicing, as well as those for photosynthesis, suggesting the presence of transcriptionally active nucleomorph genomes. A certain portion of the “green” transcripts, including informational genes, was found to possess relatively high AT-ratio compared to the majority of dinoflagellate transcripts. From the transcriptomic data of the two dinoflagellate isolates, we will discuss the blueprint of the novel nucleomorph genomes.

The discovery of novel nucleomorph-bearing algae.

Endosymbiosis has been one of the major driving forces in eukaryotic evolution. Independent endosymbiotic events gave rise to diverse photosynthetic eukaryotes bearing different plastid origins. During these events, dynamic reorganizations of both host and endosymbiont genomes are necessary for integration into one cell. Nucleomorphs, the vestige nuclei found in cryptophytes and chlorarachniophytes, have been a model for investigation of gene/genome evolution in eukaryote-eukaryote endosymbioses (secondary endosymbioses). Although cryptophyte and chlorarachniophyte plastids were established through two separate endosymbioses, the nucleomorph genomes in both lineages show similar genomic features (e.g., gene contents). To explain the parallel trend between the independent nucleomorph genomes, it is attractive to hypothesize common driving forces on the endosymbiont genomes during secondary endosymbioses. Nevertheless, to infer the general aspects of endosymbiont genome evolution in secondary endosymbioses, additional nucleomorph genomes separated from those in cryptophytes and chlorarachniophytes, are necessary.

Here, we report novel nucleomorphs in two green colored dinoflagellate strains for the first time in 30 years. TEM observation clearly showed that (1) their plastids are surrounded by four membranes, and (2) the double membrane-bound nuclei in the periplastidal compartment (PPC), which corresponds to the cytosol of the engulfed endosymbiont. Ribosome-like structures were also observed, but no mitochondrion was found in the PPC. While the two dinoflagellates are placed in distant positions in the host phylogeny, the plastid lineages are related to one particular green algal group, Pedinomonadales. Our data suggested that the nucleomorphs in these dinoflagellates are vestiges of green algal nuclei. In this presentation, the definition of nucleomorph will be discussed as well.

Phylogenemic placement of the orphaned amorphean protists; ancyromonads, mantamonads, collodictyonids, and rigifilids.

In most cases phylogenetics clearly places most eukaryotic lineages neatly into one of the several eukaryotic supergroups. However, there are still several orphan lineages that elude clear supergroup affiliations. Some of the greatest holdouts include flagellates such as the ancyromonads, mantamonads, and collodictyonids. Previous works have variously proposed that they are somehow related to the Amoebozoa or Obazoa (i.e., Opisthokonta, Breviatea, and Apusomonadida). They have further been placed into the recently proposed ‘megagroup’ Amorphea. Although there is some transcriptomic sampling of the collodictyonids, their placement is not robust in phylogenomic reconstructions and the rest of these taxa are severely undersampled. Here we provide both 1) an extensive taxon sampling of RNAseq transcriptomic data from orphaned amorpheans, including the flagellates Ancyromonas, Fabomonas, Mantamonas, and Diphylleia as well as the small thecate amoeba Rigifila, and 2) a new phylogenomic matrix that is constructed of 351 orthologs, consisting of ~100,000 amino acids sites. Analyses of this super-matrix strongly conclude that these orphaned taxa do not fall within either Amoebozoa or Obazoa, but rather that they branch variously amongst Amorphea. Surprisingly, the ancyromonads (Ancyromonas + Fabomonas) branch with the “excavate” flagellate Malawimonas, together at the base of a strongly supported Amorphea clade. The flagellate Mantamonas branches as sister to a strongly supported clade composed of Rigifila + Diphylleia + Collodictyon, nested within Amorphea. Collectively, these data strongly support the eukaryotic ‘mega-group’, Amorphea, and that morphological and genomic evolution of the amorpheans will likely provide significant changes to our understanding of deep eukaryotic evolution.

キネトプラスチダ類における寄生性鞭毛虫の系統的位置と寄生性形質獲得プロセスの解明

真核単細胞鞭毛虫キネトプラスチダ類は、土壌や海洋に主に生息する自由生活種との他、人体に重大な病状を引き起こすトリパノソーマ原虫をはじめ、多数の寄生虫から構成される。キネトプラスチダ類の寄生虫はヒト以外にも魚介類・アメーバなど多様な生物を宿主とするため、この系統群の進化においては自由生活から寄生への生活様式の移行が複数回独立に生じたと考えられている。一方、ゲノムデータの豊富なトリパノソーマ原虫に比べ、ヒト以外を宿主とする寄生虫に関しては分子データが乏しく、キネトプラスチダ類寄生虫の詳細な系統関係は不明瞭なままである。そこで本研究では、魚類住血虫であるTrypanoplasma borreli、ホヤ被嚢寄生虫であるAzuminobodo hoyamushi、およびアメーバ寄生虫であるIchthyobodo-related organismより網羅的発現遺伝子データを取得しした。さらに計57遺伝子に基づくphylogenomics解析を行い、解析した3種がキネトプラスチダ類中での系統的位置を頑健に推測した。本発表では上記phylogenomics解析結果に加え、寄生虫それぞれの網羅的発現遺伝子データを比較することで、キネトプラスチダ類における寄生性形質獲得プロセスの多様性について議論する。

渦鞭毛藻の葉緑体置換に伴うクロロフィルa生合成系遺伝子の進化

真核光合成生物の中には、無色真核生物が光合成真核藻類を独立に細胞内共生させ光合成能力を獲得した系統が複数存在する（二次共生）。この進化の過程で共生体側の遺伝子の多くが宿主核へ移動した結果、一般的に核ゲノムには多くの共生体由来葉緑体関連遺伝子が存在している。光合成渦鞭毛藻類の大半は、紅藻類を二次共生体の起源とする葉緑体をもつことが知られている。しかしながら、いくつかの系統では元の紅藻由来葉緑体を失い、別な真核藻類に由来する葉緑体をもつ系統がある。このような葉緑体を置換した系統では、新たな共生体の遺伝子が核に移動し、元々持っていた相同遺伝子とすり替わる事例が知られており、宿主核にある葉緑体の代謝系遺伝子群が異なる生物を起源とする“モザイク状”である事が想定された。そこで本研究では葉緑体の代表的な機能であるクロロフィルa（Chl-a）の生合成系に注目し、渦鞭毛藻類の葉緑体置換が代謝系に与える影響の解明を目指した。今回は紅藻由来葉緑体を緑藻を起源とする葉緑体に置換した未記載種のトランスクリプトームデータを取得し、Chl-a生合成の中核部分の反応段階に関わる遺伝子を探索し系統解析を行った。この結果から本種におけるChl-a生合成系遺伝子の進化的背景を議論する。

真核微生物Palpitomonas bilixにおけるミトコンドリアゲノム解析

Palpitomonas bilixは、カタブレファリス類、ゴニオモナス類、クリプト藻類などから構成される系統群の基部から分岐したと考えられる従属栄養性の単細胞真核生物である。従ってP. bilixは真核生物進化の比較的初期に分岐した生物の一つであると考えられ、そのミトコンドリア（mt）ゲノムの遺伝子構成やゲノム構造などは興味深い本研究では、P. bilixのmtゲノムを決定したので、他のmtゲノムと比較解析を行った。P. bilixのmtゲノムは約15 kbpのシングルコピー領域の両端に、約30 kbpのinverted repeatが隣接する特異な線状ゲノム構造であった。興味深いことに、このmtゲノム構造はP. bilixとは系統的に離れたグループであるアルベオラータに属するcolponemids-like organismと極めて類似している。また、P. bilixのmtゲノムからは約40種類のタンパク質遺伝子、3種類のrRNA遺伝子、20種類のtRNA遺伝子が同定された。P. bilixのmtゲノムにコードされている遺伝子のレパートリーは、現時点で全配列が公開されているクリプト藻類2種のものよりも多く、系統的な位置から予想される通りP. bilixのmtゲノムはクリプト藻類よりも原始的な特徴を保持していると解釈できる。

寄生性アメーバに細胞内共生するキネトプラスチダ類のゲノム解析

キネトプラスチダ類はアフリカ睡眠病の原因種であるトリパノソーマなどの寄生性生物を含む一群である。ヒトや様々な動物の病原寄生原虫に注目が集まるが、キネトプラスチダ類の生活様式は多様であり自由生活性や細胞内共生性の生物が混在している。系統解析では、キネトプラスチダ類の寄生性は少なくとも４回、独立に獲得されたことが示されている。キネトプラスチダ類の１種Perkinsela sp.は、魚類や甲殻類に寄生するParamoebaと呼ばれるアメーバに細胞内共生している。すなわち、“寄生虫に近縁な生物が、寄生虫に細胞内共生している”という特殊な状況を作り出している。さらに、光合成能力獲得を伴わない真核?真核生物の細胞内共生は他に例がなく、なぜ宿主アメーバが共生体を維持しているのか謎である。そこで本研究では、宿主アメーバ、および共生キネトプラスチダ類のゲノムを解読し、１）共生体と近縁な寄生性および自由生活性生物との比較ゲノム解析から、それらが異なる生活様式に至った進化の道筋を推察し、さらに２）宿主と共生体の比較ゲノムから、宿主にとって共生体を保持し続ける利点の推定を試みた。

大規模配列データで解明される新奇真核微生物系統とそのオルガネラゲノム

我々の研究グループは真核生物の主要系統群間の分岐順を解明するため、各種新奇真核微生物からの大規模配列データの取得と解析を行っている。我々が解析対象としている生物種には真核生物の主要系統群で初期に分岐したものも含まれており、オルガネラの進化を考察する上でも興味深い。本講演では、新奇真核微生物を対象とした最近の大規模系統解析（phylogenomic解析）と、そのオルガネラゲノムの解析から得た知見を紹介したい。

Tsukubamonas globosaは、先行研究からディスコバ生物群に含まれることが示された（矢吹ら2011）。さらにphylogenomic解析を行ったところ、Tsukubamonasはディスコバ生物群の新奇な系統であること、ミトコンドリア（mt）ゲノムは52のタンパク質をコードする約48 Kbpの環状DNAだった（神川ら2014）。Tsukubamonasと他のディスコバ生物のmtゲノムの遺伝子組成の比較から、mtゲノム進化で遺伝子欠失が並行的に起こっていることが明らかとなった。

Palpitomonas bilixは、先行研究では所属が不明であった（矢吹ら2010）。我々の行った最新のphylogenomic解析では、Palpitomonasは従属栄養性であるがクリプト藻との強い近縁性が復元された（矢吹ら2014）。Palpitomonas mtゲノムは特異な構造をもつ約75 Kbpの線状ゲノムであり、最も原始的だと考えられるヤコバ類のmtゲノムにしか見つかっていないタンパク質をコードする。従って、このゲノムは原始的な特徴を未だ保持していると解釈できる（西村ら未発表）。

光合成性渦鞭毛藻の大多数は補助色素・ペリディニンをふくむ葉緑体をもつが、Lepidodinium属渦鞭毛藻の葉緑体は緑藻起源である。我々はLepidodinium chlorophorumから11種類の葉緑体遺伝子を単離・解析し、Lepidodinium葉緑体はcore chlorophytesに属する緑藻が起源であることを明らかにした（松本ら2011）。引き続きL. chlorophorum葉緑体ゲノムを解読し、52種類の葉緑体遺伝子による系統解析を行ったところ、Lepidodinium葉緑体がペディノ藻起源であることが判明した（神川ら未発表）。ペディノ藻葉緑体ゲノム（Pedinomonas minor；約100 Kbp）にくらべL. chlorophorum葉緑体ゲノムは約66 Kbpと縮小しており、渦鞭毛藻細胞内で緑藻葉緑体ゲノムに対する縮小圧が働いたと考えられる。

今後も新奇真核微生物の大規模配列データの解析から、真核生物の初期進化やオルガネラゲノムの進化についての研究を進めてゆく。

新奇緑色渦鞭毛藻共生体の微細構造観察：とくに共生体核に注目して

多くの光合成性渦鞭毛藻は、紅藻由来の褐色の葉緑体をもつ。いくつかの種では、この葉緑体が他の藻類由来の葉緑体に置換されており、これまでにハプト藻、珪藻、緑藻に由来する葉緑体をもつグループが知られている。近年、既知の緑色渦鞭毛藻Lepidodinium属とは明らかに類縁性のない2つの新奇緑色渦鞭毛藻（鶴岡株・室蘭株）が発見された。一方、葉緑体遺伝子を用いた分子系統解析によると鶴岡株、室蘭株は緑藻内でLepidodinium属と単系統群を形成したため、独立に近縁な緑色葉緑体（内部共生体）を獲得したと考えられる。本研究では、それぞれの内部共生体が細胞内でどの程度「葉緑体化」しているのかを明らかにする一助として、鶴岡株および室蘭株について透過型電顕（TEM）観察を行った。両株の葉緑体は，どちらも４重の包膜に包まれ、外側2枚と内側2枚の膜間には、リボソーム様顆粒で満たされた葉緑体周縁区画があった。同区画には内部共生体核と予想される２重膜で囲まれた構造がみられたが、ミトコンドリアや他の内膜系は確認されなかった。内部共生体核と思われる構造は、核孔様のギャップや仁様の領域を有していたがサイズが小さいことから、構造的に縮退した「ヌクレオモルフ」であると判断した。従って、両株では内部共生体の葉緑体化が進んでおり、内部共生体核が構造的に縮退して残存している段階にあると言える。今後、内部共生体核ゲノム等の縮退の程度にも興味が持たれる。

新たな細胞内共生体獲得に伴うゲノム進化

我々は、細胞内共生体からのオルガネラ成立過程を解明するため、真核生物の多様性と次世代シークエンスにより取得した大規模配列データを基盤として研究を進めている。本講演の前半では、原核－真核間の共生系の進化産物であるミトコンドリア・葉緑体の成立過程のモデル化を目指した、珪藻細胞内に共生する窒素固定シアノバクテリアとその宿主のゲノム・トランスクリプトーム解析結果を紹介する。後半では、真核－真核間の共生系の進化産物である所謂「二次葉緑体」の成立過程をモデル化することを目標とした、退化緑藻共生体を保持する未記載渦鞭毛藻株に関するゲノム・トランスクリプトーム解析の結果を紹介したい。

My research group in University of Tsukuba are interested in the evolutionary process that transformed an endosymbiont into a host-controlled organelle. To tackle one of the most challenging questions in evolutionary biology, we are currently generating large-scale sequence data from phylogenetically broad collection of microbial eukaryotes. In this talk, we introduce two of our recent works briefly. Firstly, we generated the genomic data of the cyanobacterial endosymbiont in a rhopalodiacean diatom Epithemia turgida and the transcriptomic data of the host (diatom) cell, aiming for modeling ‘bacterium-eukaryote’ endosymbioses, which gave rise to mitochondria and plastids. Secondly, we introduce our study based on both genomic and transcriptomic data from novel dinoflagellates bearing the green alga-derived plastids enclosed with vestigial nuclei, which may correspond to the intermediate state of the process transforming a endosymbiotic eukaryotic alga into the plastid.

有殻アメーバPaulinella chromatophoraのトランスクリプトーム解析／Transcriptome Analysis of Testate Amoeba Paulinella chromatophora

光合成真核生物の葉緑体は、10数億年前に当時の 真核細胞に共生したシアノバクテリアが進化してできたものである。この細胞内共生進化の過程で、シアノバクテリアの遺伝子の多くは宿主核に転移し、新たに 真核型プロモーターを獲得して核の転写制御ネットワークに組み込まれた。しかし、太古に生じたこの現象のメカニズムはまだよくわかっていない。一方、有殻 アメーバ Paulinella chromatophora は、葉緑体とは異なる独自の光合成オルガネラをもっている。これは、「わずか6000万年」ほど前にこのアメーバに細胞内共生したシアノバクテリアに由来 しており、シアネレとよばれている。私たちは，このまだ若いオルガネラをもつ生物のゲノムやトランスクリプトームの中には、上記の現象の謎を紐解く鍵が記 されているのではないかと考えた。そこで，次世代シーケンサーHiseq2500を用いて、P. chromatophoraについての網羅的な RNAseq解析とTSSseq解析を行った。その結果，それぞれ約4億リードと1億リードの解析から， 約13万のRNAコンティグ配列を取得し、さらに約7500万の転写開始点タグ配列をゲノム上にマップした。これらの検討から，核に水平転移した配列の候 補が数千ほど見いだされており、現在、それらの特徴や、プロモーターの概況などについてさらに解析を進めている。

Chloroplast has been evolved from endosymbiotic cyanobacterium that had been engulfed by an ancient eukaryotic cell about 1-1.5 billion years ago. During the following evolution, most of the endosymbiont genes have been transferred to the host nucleus and integrated into the transcriptional regulatory network of the nucleus. However, the molecular mechanism of this evolutionary process is largely unknown, since molecular signatures of this process have been mostly lost duringthe long period. In this respect, a testate amoeba Paulinella chromatophora is a unique organism, because it still has a "very young" photosynthetic organelle called "cyanelle". This organelle has been evolved from endosymbiotic cyanobacterium engulfed by the host amoeba about only 60 million years ago. We expect that the genome and transcriptome analysis of this organims may provide cluesas to how successful gene transfers occurred during the early process of endosymbiotic evolution. In this study, we performed RNAseq and TSSseq (Transcription Star Site sequencing) analyses of P. chromatophora using illumina Hiseq 2500, and obtained 130,000 cDNA contigs and 1.5 million TSS loci. We would like to present the analysis of these data and also the characteristic of the promoters of early-transferred genes.

有殻アメーバPaulinella chromatophoraのゲノム解析／Genome analysis of a photosynthetic amoeba Paulinella chromatophora

リザリアの仲間である有殻アメーバPaulinella chromatophoraは、シアネレと呼ばれる独自の光合成オルガネラを持つ。このシアネレは、約6000万年前に生じたシアノバクテリアの細胞内共生によって獲得されたと推定されており、植物や藻類の葉緑体が十数億年前にシアノバクテリアとの共生によって誕生した古参のオルガネラであることと比べると、非常に若い光合成オルガネラだと考えることが出来る。このような若いオルガネラを持つことから、P. chromatophoraは色素体の進化や一次共生進化を理解する上で重要な生物として注目されている。我々は、この有殻アメーバP. chromatophoraをモデルに、現存の植物や藻類では解析が難しい一次共生進化の初期段階での共生者から宿主への遺伝子転移について、そのプロセスの詳細や分子メカニズムを解明したいと考えており、現在、その研究基盤となるゲノム配列の解読とトランスクリプトーム解析をすすめている。本発表では、次世代シーケンス解析により明らかになってきたP. chromatophoraのゲノムの特徴と核に転移した共生者由来の遺伝子配列の概要について報告する。

A photosynthetic amoeba Paulinella chromatophora harbors unique organelletermed as cyanelle. The cyanelle is derived from endosymbiotic cyanobacteria whose endosymbiosis occurred about 60 million years ago. Compared to the plant’s chloroplasts that are evolved from another endosymbiosis of cyanobacterium 1-2 billion years ago, the cyanelle of P. chromatophora is thought to be a very young plastid. Therefore we think this amoeba could be a model organism suitable for studying the early stage of plastid evolution. We are interested in the molecular mechanisms underlying the massive endosymbiotic gene transfer (EGT) from the endosymbionts to the host’s nucleus occurred at the initial stage of the primary endosymbiosis. To approach this aim, we attempted P. chromatophora genome sequencing project and the transcriptome analysis using Next-generation sequencer. Here, we report the characteristics of P. chromatophora genome and will discuss about the genome-wide view of EGT in this organism.