378 化学と生物 Vol. 55, No. 6, 2017
染色体にリボソーム RNA 遺伝子の無い環境細菌の発見
予想外なゲノム構造と進化
染色体には生存に必須な遺伝子が存在し，親から子へ と安定に受け渡すことで生物は命をつないでいる．細菌 の染色体構造は多様で，通常大腸菌の染色体のように一 つの環状DNAだが，線状染色体や複数染色体も知られ ている．複数染色体では，最大のものは主染色体，それ より小さなものは第二染色体，第三染色体（以下，第 染色体と略）と呼ばれ，細胞周期と同調して複製され，
分配機構によって娘細胞に受け渡される(1)．一方，多く の細菌はプラスミドと呼ばれる一般に小さな環状DNA をもち，たとえば薬剤耐性遺伝子のような特定の条件下 で必要となる遺伝子が存在している．プラスミドは染色 体とは独立して自律的に複製し，低コピーだと分配機構 が用いられ，高コピーだと確率的に分配される．
必須遺伝子の有無で染色体かプラスミドかを区別でき るといっても，判断に困ることが多い．そこで慣例的に 用いられてきたのがリボソームRNA（rRNA）オペロン
（ ）である．rRNAはタンパク質合成を担うリボソー ムの構成要素で，rRNA遺伝子はすべての生物がもつ必 須遺伝子である．主染色体のみ，あるいは主染色体と第 染色体上に1〜15コピーの が分布することは，当然 のことと考えられてきた．しかし最近われわれは，確率 的に分配されうる高コピーレプリコン（9〜10 kb）のみ
に が存在している環境細菌 を
発見した(2)のでここに紹介する．
属 は
α
プ ロ テ オ バ ク テ リ ア 綱科の好気性自由生活型細菌で，大気中の塵 や植物を含むさまざまな環境から分離されているもの
の，その性状はほとんど知られていない．われわれの研 究から，マメ科植物ダイズの根粒共生が破綻すると葉圏 細菌叢が激変し，特に の存在比率が増加す ることが明らかとなっていた(3, 4)．マメ科植物が根粒菌 だけでなく葉圏細菌をも制御するという新しい植物‒微 生物相互作用を理解するため， をダイズか ら選択的に分離培養する方法を構築し(5)，遺伝的特徴づ けを目的として sp. AU20株のゲノム解読 を行った．
構築したAU20株の完全ゲノムは3.7 Mbの染色体と8 つのレプリコンからなり，リボソームタンパク質をはじ めとするハウスキーピング遺伝子は染色体から見つかっ た が，唯 一 の は9.4 kbの レ プ リ コ ン（pAU20 ） に存在していた（図1A）．pAU20 と染色体をつなぐ リードや，相同な配列は見つからないことから，染色体 に挿入される可能性は考えにくい．16S rRNA遺伝子を プローブとするサザンブロッティングを行ったところ，
唯一の が9.4 kbのレプリコンのみに存在することが 証明された．
pAU20 の複製と分配にかかわる遺伝子を調べてみ ると，プラスミド型複製開始タンパク質をコードする と複製起点 が見つかったが，分配にかかわる 遺伝子は見つからなかった．RepAと の構造は，
γ
プロテオバクテリア綱 の高コピープラス ミドpPS10と類似していた．pAU20 のコピー数を定 量PCRで調べたところ，対数増殖期で18コピー存在し，pPS10のコピー数（15コピー）に匹敵することから，
図1■染色体にrRNA遺伝子のないゲノム 構造と進化
A: sp. AU20株のゲノムマップ．
B: 科細菌の16S rRNA遺 伝子による系統樹とゲノム構造の概要．
が存在するレプリコンを推定した株名を黒字 で示す．詳細は文献2．
日本農芸化学会
● 化学 と 生物
今日の話題
379
化学と生物 Vol. 55, No. 6, 2017
pAU20 も確率的に分配されうる高コピーレプリコン であると結論づけた．以上から，AU20株は の無い 染色体と の存在する高コピーレプリコンからなる新 規 の ゲ ノ ム 構 造 を も つ こ と が 判 明 し た．ま た，
pAU20 はレプリコンサイズが小さく，高コピーであ り，分配関連遺伝子が欠如しているという点で既知の が存在するレプリコンと異なり，新しいタイプのレ プリコンであることも明記したい．
もし本ゲノム構造がAU20株のみで見られるならば，
環境中あるいは実験過程で短期的に生じたゲノム構造を 偶然観察している可能性がある．そこで，近縁な
科細菌12菌株のドラフトゲノムを新た に解読し， の存在するレプリコンを推定した．結果 として，AU20株と16S rRNA遺伝子配列が99.3％以上 一致する 4株は，地理的分布や分離源を問 わず，9〜10 kbの高コピーレプリコンのみに を有し ていた（図1B）．一方，16Sが97.2％以下の近縁株は染 色体に2〜4コピーの が存在すると推定された．以上 から， の共通祖先において の存在する 高コピーレプリコンの獲得と染色体からの の欠失と いうゲノム再編成が起こることで本ゲノム構造が確立し たという進化的道筋が考えられ，細菌のゲノム進化は予 想以上にダイナミックであることが示された．
本ゲノム構造の生物学的意義を考えてみると，まず遺 伝子量の増加が挙げられる．染色体上の を欠損する ことでコピー数を変化させた大腸菌の研究から， の コピー数が高いほど，環境変化に素早く対応できること が知られている(6)． でも同様ならば，先の
研究(3, 4)で見られた存在比率の増加は，本ゲノム構造を
有することが原因の一つかもしれない．ほかの意義とし て， を染色体から離すことで新しい転写制御機構を 得ている可能性や，16S rRNA遺伝子の水平伝播への関 与が挙げられる．
現時点で本ゲノム構造をもつことが判明している細菌 は のみである．2014年11月時点で2,767株 の完全ゲノムを調べたが，本ゲノム構造をもつ細菌は見 つからなかった． が染色体マーカーとして用いられ
てきた歴史を踏まえると完全ゲノムデータベースから見 つからないのは当然とも言える．2016年10月時点では 53門74綱171目386科1,947属39,764株68,915個 の ゲ ノ ムプロジェクトが完了・進行しているので（Genomes Online Database; GOLD），今後，ドラフトゲノムデー タベースから本ゲノム構造を効率的に探索する方法を構 築し，ゲノム構造としての一般性を明らかにすることが 期待される．
（本稿で紹介した研究は，東北大学生命科学研究科に おいて実施し，一部は日本学術振興会特別研究員奨励費 の助成を受けて行われた．）
1) E. S. Egan, M. A. Fogel & M. K. Waldor: , 56, 1129 (2005).
2) M. Anda, Y. Ohtsubo, T. Okubo, M. Sugawara, Y. Naga- ta, M. Tsuda, K. Minamisawa & H. Mitsui:
, 112, 14343 (2015).
3) S. Ikeda, T. Okubo, T. Kaneko, S. Inaba, T. Maekawa, S.
Eda, S. Sato, S. Tabata, H. Mitsui & K. Minamisawa:
, 4, 315 (2010).
4) S. Ikeda, M. Anda, S. Inaba, S. Eda, S. Sato, K. Sasaki, S.
Tabata, H. Mitsui, T. Sato, T. Shinano : , 77, 1973 (2010).
5) M. Anda, S. Ikeda, S. Eda, T. Okubo, S. Sato, S. Tabata, H. Mitsui & K. Minamisawa: , 26, 172 (2011).
6) C. Condon, D. Liveris, C. Squires, I. Schwarts & C.
Squires: , 177, 4152 (1995).
（按田瑞恵，東京大学大学院理学系研究科）
プロフィール
按田 瑞恵（Mizue ANDA）
＜略歴＞2009年北海道大学農学部生物機 能化学科卒業／2012〜2014年日本学術振 興会特別研究員（DC2）／2015年東北大学 大学院生命科学研究科修了（博士（生命科 学））／2015〜2017年大阪大学微生物病研 究所 特任研究員／2017年4月〜東京大学 大学院理学系研究科生物科学専攻 特任研 究員＜研究テーマと抱負＞ゲノム情報解析 手法の開発＜趣味＞スポーツ全般（ソフト ボール，水泳，ジョギング）
Copyright © 2017 公益社団法人日本農芸化学会 DOI: 10.1271/kagakutoseibutsu.55.378
日本農芸化学会
