海洋性ケイ藻の炭素固定機構 - J-Stage

【解説】

海洋性ケイ藻の炭素固定機構

海洋の食物生産を維持・制御するメカニズム

松田祐介，中島健介，菊谷早絵

海洋性ケイ藻類は，多様な水圏に適応し，地球一次生産（光 合 成） の 約20%を 担 う 生 物 と し て 近 年 注 目 さ れ た．そ の 結 果，21世 紀 に 入 っ て か ら ゲ ノ ム イ ン フ ラ が 整 備 さ れ 分 子 研 究の端緒についた生物である．ケイ藻の分子研究は地球環境 科学分野だけにとどまらず，バイオエネルギー，有用物質生 産，お よ び ナ ノ テ ク な ど の 農・工 学 分 野 か ら も 注 目 を 集 め る．一方でケイ藻は，二次共生の謎やその過程で醸成された ユニークな代謝・生理など，基礎生物学の研究対象としても たいへん興味深い生物である．ケイ藻の環境適応能力を知る うえで，一次生産の基礎となる光合成系およびその環境応答 の詳細は最優先課題の一つである．とりわけ，アルカリ度や 塩濃度の高い海洋環境でCO₂を海水から取り込み葉緑体内部 まで送り届けるシステムの重要性は高い．これまでにも生理 学的なアプローチから海洋性ケイ藻がCO2とHCO3−の両方を 海水から積極的に取り込み無機炭素への親和性が極めて高い 光合成を行うこと，およびこの機能はCO2濃度が大気レベル より低いときに発現されることが報告されている．しかし，

これらの機能にかかわる分子は僅かしかわかっていない．本 稿 で は，海 洋 性 ケ イ 藻 が 海 水 か ら 直 接HCO₃⁻を 取 り 込 む

CO2濃縮 の分子機構の一端と取り込まれた無機炭素の流 路を制御する分子機構について紹介する．また，海洋性ケイ 藻類が環境CO₂濃度に応答してCO₂濃縮にかかわる因子を転 写や翻訳後レベルで調節する分子機構についても解説する．

ケイ藻の重要性の再発見

ケイ藻は，その精緻なケイ酸被殻に対する細胞形態学 研究に150年も前から用いられてきた生物である．ま た，極めて多様な水圏に適応放散していることから，環 境指標生物としても重用され，長い研究の歴史がある．

生態学や形態・分類学の伝統的な研究対象であったケイ 藻類に，違った側面からも光が当たり始めたのは1990 年代後半からである．これには人工衛星によるリモート センシング技術の急速な発達が深くかかわっている．も とよりケイ藻は海洋独立栄養生物における優先種の一つ であることが報告されていたが，宇宙技術革新による海 洋クロロフィルの連続的・定量的マッピングの高精度化 によって，海洋一次生産量（光合成）は陸上のそれに匹 敵し，海洋性ケイ藻が地球全体の約20%の有機物生産 を担う生物であることが示されたのである^（1）．このこと Carbon Fixation Mechanisms in Marine Diatoms : Systems to 

Sustain and Regulate Primary Production in Oceans

Yusuke MATSUDA, Kensuke NAKAJIMA, Sae KIKUTANI, 関 西学院大学理工学部

は海洋における炭素循環のみならず窒素，リン，ケイ 素，およびその他の微量金属の物質循環に極めて重要な 役割を負う生物であることも同時に示している^（2）．この 発見が契機となり，2004年と2008年にそれぞれ中心目

ケイ藻 および羽状目ケイ藻

のゲノムが解読され，ケイ 藻分子研究のインフラが整備された^（3, 4）（図1_{）．加えて，}

外挿遺伝子を核ゲノムへランダムに統合する安定形質転 換法やRNA干渉による遺伝子サイレンシング技術が確 立され，ケイ藻細胞の分子ツール化も進んできてい る^（5, 6）．

環境変動下における海洋性ケイ藻の細胞生理応答や群 集の消長は地球レベルの環境変動予測に直結する情報と なる．またケイ藻は，種数的に真核生物の圧倒的マジョ リティーを形成する二次共生生物の，謎に包まれた進化 と細胞機能の解明に有用な基礎研究対象でもある．一 方，ケイ藻のもつ幾何学的なナノスケールフラクタル構 造のシリカ被殻は次世代材料として注目されている．さ らに，ケイ藻類が光合成産物として蓄積するテルペン類 や油脂は，健康食品あるいはバイオ燃料源としての用途 が期待されている．このようにケイ藻類の分子研究は日

の浅い分野ではあるものの，エネルギー・ナノテク・食 糧などの応用分野から生物進化・地球環境科学などの基 礎分野まで，さまざまな先端研究領域を 貫通的 に横 断するたいへん興味深いものである．しかし相反して，

ケイ藻のさまざまな細胞生理，生化学の基礎的知見はあ まりにも乏しい．筆者らは，独立栄養生物であるケイ藻 の特質を支える中心的な課題として，海洋性ケイ藻類が 光合成をする仕組み，およびその仕組みを調節する機構 について，特に細胞が海水から無機炭素を獲得して固定 するまでのプロセスに焦点を当てて研究を行ってきた．

水の中の炭素固定とケイ藻の細胞構造

光合成は光・温度・二酸化炭素・酸素などの溶存ガス 分子，窒素・硫黄などの主無機栄養，および鉄・亜鉛な どの微量栄養などさまざまな環境因子の影響下にある．

水中ではCO2の溶存量は非常に低く，常温の現大気下 ではせいぜい10 〜 15 

μ

Mである．また溶存分子の拡散 速度がガス分子の10⁻⁴であることから，光合成生物は CO2獲得に何らかの積極的なシステムを必要とする．特 に海洋の高塩・高アルカリ環境は，CO2の水和による重 炭酸の生成を促進し，逆にここからのCO2生成速度は 遅くなるので，より厳しいCO2欠乏環境と言える．しか し，海洋性ケイ藻類は，無機炭素親和性の高い光合成を 行い，高い一次生産力を誇っている^（7）．これはCO2濃縮 機構 （CO2-concentrating mechanism ; CCM） を有して いるからである．CCMはケイ藻だけでなく多くの微細 藻が獲得した機能で，その進化は3 〜4億年前，石炭紀 におけるCO2の急激な減少によって駆動されたと考え られる（図2_）．CCMはシアノバクテリアや緑藻クラミ ドモナスで詳しく調べられているが，かかわる因子には 図1■最初にゲノム解読された海洋性ケイ藻二種

左，羽状目 ，ゲノムサイズ27 Mb，遺

伝子数〜10,000；右，中心目 ，ゲノムサ イズ32 Mb，遺伝子数〜11,000.

図2■藻類進化年表とCCMの起こり 横軸は現在をゼロとした遡行年軸で，

それぞれの生物出現をバーで示す．こ れと重ねて，縦軸に大気中分子酸素濃 度（%）および現在を基準とした二酸 化炭素濃度比（RCO2）をとり，顕生 代に入ってからの変化を示している．

バ イ オ フ ィ ジ カ ルCCMの 獲 得 が 始 まったと考えられる時期を緑色でハイ ライトしている．

陸上植物 シアノバクテリア・藻類

のCCMの進化開始

プ 藻 40 ケイ藻 黄金色藻 車軸藻

不等毛植物 二次・三次

30 紅藻

緑藻

渦鞭毛藻 共生藻類 ハプト藻

次共生藻類

O2 (%) RCO 20 10 酸素発生型光合成

プロテオバクテリア 真核藻類 一次共生藻類 紅藻

顕生代 原生代

始生代 ^{古生代 中生代 新}

RCO2 過去/現在 シアノバクテリア 0

石炭紀

35 30 25 20 15 10 6 5 4 3 2 1 0 億年前

顕生代 原生代

始生代

陸上植物 シアノバクテリア・藻類

のCCMの進化開始

プ 藻 40 ケイ藻 黄金色藻 車軸藻

不等毛植物 二次・三次

30 紅藻

緑藻

渦鞭毛藻 共生藻類 ハプト藻

次共生藻類

O2 (%) RCO 20 10 酸素発生型光合成

プロテオバクテリア 真核藻類 一次共生藻類 紅藻

顕生代 原生代

始生代 ^{古生代 中生代 新}

RCO2 過去/現在 シアノバクテリア 0

石炭紀

35 30 25 20 15 10 6 5 4 3 2 1 0 億年前

顕生代 原生代

始生代

進化的に保存された一貫性は特にない．生理的な機能を ひも解くと，CCMは本質的に大きく2つのステップか らなっている．一つは細胞膜上および真核生物の場合は さらに葉緑体包膜上にも存在する無機炭素輸送体が能動 的に溶存無機炭素 （dissolved inorganic carbon ; DIC） 

を取り込むステップで，もう一つは，取り込んだDIC の漏れ出しを防ぎながらCO2へと変換し，効率良く炭 酸固定化酵素ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/ox- ygenase （RuBisCO） へと供給するステップである．こ れらのことからCCMは，さまざまなバクテリアや微細 藻でそれぞれ異なる起源の分子が， 水中のDICを濃縮 してCO2を固定反応に供給する という類似した機能へ 収斂進化したものと考えられる．ケイ藻類は石炭紀より 後の2億5千万年前に現れ始めた最も新しいCCM生物 の一群と考えられるが（図2），おそらく祖先の不等毛 植物はさらに早い時期に現れ，CCMを獲得していたも のと考えられる．ケイ藻は，その多様な細胞のサイズお よび葉緑体の形態に適応したユニークなCCMを獲得し てきた生物と考えられる^（8）.

ケイ藻類の細胞構造はその進化の過程で複雑化してい る．シアノバクテリアが真核従属栄養細胞に共生（一次 共生）することによって，緑藻，紅藻，および灰色藻の 起源となる始原植物細胞が誕生した．紅藻がさらに繊毛

虫類に共生（二次共生）して葉緑体化することによって ケイ藻が成立したと考えられている^（9）（図3_{）．二次共生} の過程を経て成立したケイ藻の葉緑体は，その構造も複 雑化して四重膜を有している （図3）．外側2膜は葉緑体 小胞体 （CER），内側2膜は葉緑体包膜 （CE） と呼ばれ，

CERの外側の膜は核膜と融合して核‒葉緑体連合を形成 する．さらに葉緑体内には，ピレノイドと呼ばれる葉緑 体内のRuBisCOのほとんどが集積したタンパク質顆粒 が存在する（図3）．ピレノイドの構成因子や機能はわ かっていないことが多いが，RuBisCOが局在するとい う事実から，ピレノイドは，高濃度のCO2が発生して固 定される，いわば CCMの収斂点 と考えられている．

海洋性ケイ藻のCCMは，①海水からのDIC獲得，②蓄 積したDICの四重葉緑体包膜通過，および③ピレノイ ドにおけるCO2固定から成り立つと考えられる．この 一連のプロセスの中で，膜透過性の極めて高いCO2が 生成する部位を限定することによって葉緑体や細胞から のCO2漏出を防止することが極めて重要となる．シア ノバクテリアのCCM研究から，真核生物においても CCMによって蓄積されたDICは，膜透過性の低い重炭 酸の形で蓄積・輸送され，ピレノイドのように限定され た部位でのみCO2に変換されて，即座に固定されるも のと考えられる．しかしながら，この一連の無機炭素流

図3^■一次共生および二次共生の過 程とケイ藻葉緑体構造

A：共生による葉緑体獲得のスキー ム．シアノバクテリアとの共生による 真核藻類の成立に続き，別の真核細胞 と紅藻との共生によりクロミスタ属二 次共生藻が成立した．ケイ藻のゲノム から，一次共生時にクラミジアゲノム の取り込み，紅藻との共生以前に緑藻 との二次共生があったことが強く示唆 されている．B：現在のケイ藻類の葉 緑体構造．葉緑体は葉緑体ER（CER）

と葉緑体包膜の四重膜系で包まれてお り，これら膜系の間にはペリプラスチ ダル区画（PPC）がある．葉緑体内に はグラナを形成しない三重チラコイド がある．ピレノイド（Py）の中心部分 を貫通するチラコイドが存在する．

ケイ藻殻（ガードルバンド）

ケイ藻殻（バルブ）

（ケイ藻など）

ケイ藻殻（ガードルバンド）

ケイ藻殻（バルブ）

（ケイ藻など）

路調節にかかわる因子の大部分は不明である．また，複 雑な細胞構造をもつ細胞内で，そのような因子の局在や 環境応答を制御する仕組みにも不明な点が多い．

海水から重炭酸イオンを取り込む輸送体

これまでの生理学的解析から，多くの海洋性ケイ藻類 はCO2と重炭酸（HCO3−）の両方を取り込むことが明 らかにされている^（10）．ケイ藻ゲノムには，動物に特有 と考えられてきた遺伝子配列が極めて多く，二次共生進 化における最終宿主の核ゲノムに由来すると考えられ る．このような動物型遺伝子の中に，相当数のSolute  Carrier  （SLC）ファミリータンパク質遺伝子のホモロ グがある．SLCは，ATPの加水分解エネルギーを利用 せず細胞内外に物質を輸送する二次輸送体の総称で，哺 乳類においては，51ファミリーに大別され，378種類の 遺 伝 子 が 同 定 さ れ て い る．こ の う ち，SLC4お よ び SLC26はHCO3−輸送体とされており，

ゲノムには少なくとも10のホモログ遺伝子が存在して いる．厳密に言うと，これらの遺伝子ORFは動物にあ るような長い細胞内N末端領域コード配列を欠損して おり，膜貫通ドメインのみが存在する配列である（図 4_）．現在これら10のSLC遺伝子のうち，SLC4ファミ リーの3遺伝子， , , および

が低CO2環境下で特異的に転写誘導されるCO2応答型

遺伝子であることがわかっている^（11）．PtSLC4-2は細胞 膜に局在し^（11）（図4），定常的な過剰発現実験によって HCO3−特異的な輸送体としてケイ藻で初めて同定され た^（11）（図4）．これまでにCCM因子として同定されてい るタンパク質の中でSLCファミリーに属すると考えら れるのはシアノバクテリア細胞膜型HCO3−輸送体BicA のみであり，これはSLC26ファミリーに属する．Pt- SLC4-2はCCM因子として初めて同定されたSLC4型輸 送体であり，海洋真核藻類で最初に機能同定された HCO3−輸送体である．

PtSLC4-2はNa^＋を特異的なエフェクター分子として HCO3−を輸送するが^（11），興味深いことにNa^＋に対する 要求量がこの種の輸送体の中では極めて高い ^（11）．最大 の輸送活性を得るのに100 mM程度の高濃度Na^＋を必要 とし，これまで知られている藻類型Na^＋依存性HCO3−

輸送体（1 〜2 mM程度のNa^＋を要求）の中では群を抜 いて高い値を示す．ヒトSLC4ではこの程度のNa^＋依存 性が記録されており，極めて 好塩型 の輸送体と言え る．海 水 のpHは 現 大 気 環 境 下 で8.1程 度 で あ り，

HCO3−が2 mM以上存在する．Na^＋濃度は400 mM以上 あり，このような輸送体の機能に十分な環境である．

SLC型輸送体に対する特異的阻害剤である4,4′-diisothio- cyano-2,2′-stilbenedisulfonic acid （DIDS）をCO2欠乏環 境で生育した（CCMを最大限に発現している）

細胞に作用させると，海水からDICを取り込

図4^■海洋性ケイ藻細胞膜型HCO3−輸送体PtSLC4-2の構造，局在，および機能

A：ヒトhsSLC4A1の膜トポロジー，B：海洋性ケイ藻PtSLC4-2の膜トポロジー，C：PtSLC4-2 : GFP定常発現 細胞（SL- C4G細胞）の共焦点レーザー顕微鏡像．（上左）細胞全体像，（上右）先端部の断面，（下）中心部の断面，D：ケイ藻細胞による培地からの DIC取り込み活性，（左）高CO2生育細胞，野生型（○）は100 μMのDICをほとんど取り込まないのに対し，SLC4G細胞（△）は高い取り 込み活性を示す，（右）低CO2生育細胞，野生型（●），SLC4G（▲）ともに内在CCMが高発現するため差が見えない．

む速度と光合成のDICへの親和性がともに50 〜 30%ま で低下することから，細胞膜上のSLC型HCO3−輸送体 はCO2欠乏環境下でケイ藻の一次生産に極めて重要な 役割を負う因子であることがうかがえる．

哺乳類などと共通の起源を有するであろうSLC4ファ ミリー輸送体が海洋におけるDICの動的平衡にかかわ り，CO2固定の駆動力として機能することは生物進化の 側面からも興味深いものである．現在のところ，機能同 定されたケイ藻の無機炭素輸送体はPtSLC4-2の一つだ けであるが，配列と環境応答の類似性から推察して，

PtSLC4-1およびPtSLC4-4も同様のHCO3−輸送体である ことが考えられている．一方，葉緑体包膜上の無機炭素 輸送体は未同定であるが，緑藻

では，その存在が強く示唆されている．二次共 生型の四重包膜葉緑体の物質輸送は一次共生型の二重包 膜葉緑体よりもさらに複雑であることが考えられ，因子 の詳細な局在とその機能に興味がもたれる．また，細胞 膜や葉緑体包膜でCO2の透過性を制御する因子も水生 生物ではほとんどわかっておらず，今後の研究が期待さ れる．

葉緑体型炭酸脱水酵素の局在制御機構と機能 CO2分子は無極性であるため，濃度勾配に従って生体 膜を比較的迅速に透過する．輸送体を介して海水から取 り込まれ，細胞内に濃縮したDICがCO2のかたちで存 在していると直ちに細胞から漏出してしまう．これを制 御するために細胞内のDICはHCO3−のかたちで保持さ れ，炭酸固定化酵素RuBisCOのごく近傍でのみHCO3−

からCO2が生成して即座に固定されると考えられる．

このような細胞内のDIC流量および流路調節には，適 所に局在する炭酸脱水酵素（carbonic anhydrase ; CA）

が重要な役割を果たしていると考えられる．

ケイ藻で初めて遺伝子クローニングおよび機能同定さ れ たCAは に お け る2つ の

β

型CA，

PtCA1およびPtCA2である^{（12, 13）}．これらは低CO2生育 環境で特異的に発現し，可溶画分に比較的大量に存在す る．これらの遺伝子は核コードであるが，GFP標識に よるタンパク質局在決定を行うと，機能部位はストロマ 内のピレノイドと呼ばれる顆粒構造である^（14）（図5_）．ピ レノイドにはRuBisCOやフルクトース二リン酸アルド ラーゼなどの糖代謝酵素タンパク質が局在することがわ かっており，PtCA1およびPtCA2はこれらと共局在し て機能していることが考えられる．興味深いことに，

PtCA1, 2はピレノイド内でこれらのタンパク質と相互

作用してピレノイドを形成していると考えられるが，細 胞から抽出すると可溶性タンパク質として容易に単離さ れる．この2つのCA酵素のC末端にはともに，Met,  Leu/Ile, Ile, Leu, Leuの5つの疎水性アミノ酸が3残基 に1回現れる

α

へリックス構造をもち（図5），この一側 面にこれら疎水領域がクラスターを形成する両親媒性へ リックスとなっている．この疎水クラスターをGluなど の極性アミノ酸に置換するとPtCAはストロマ全体に拡 散する^（15）（図5）．一方，これらPtCAのN末端プレ配列 にはERシグナル配列との切断部位に二次共生藻類特有 の葉緑体トランジット配列（アミノ酸配列からASA- FAPモチーフとも呼ばれる）^（16）がある．したがって，

このタンパク質は細胞質で翻訳された後，エキソサイ トーシスを転用した仕組みを使ってCERの二重膜を通 過し，ERシグナル切断部にあるASAFAPモチーフに よってさらに残りの葉緑体二重包膜を通過した後，C末 端両親媒性へリックスの作用で緩く相互作用してピレノ イドに局在すると考えられる．

水圏の独立栄養生物の無機炭素獲得におけるCAのこ のような局所的存在の意義は，シアノバクテリアで良く 調べられており，その知見は真核生物においても参考に なる．シアノバクテリアにはもちろん葉緑体のようなオ ルガネラはないが，細胞内にカルボキシゾームと呼ばれ る正二十面体のタンパク質顆粒をもつ．この顆粒に RuBisCOおよびカルボキシゾームの殻構成タンパク質 で あ るCA，CcmMが 存 在 し，細 胞 内 に 蓄 え ら れ た HCO3−がカルボキシゾームに入るときにCcmMによっ て脱水されてCO2になりRuBisCOによって固定される

（図6_）．CcmMはC末端へリックス構造の2つのCys残 基が酸化状態で架橋しているときに活性化し，これが還 元されると不活性化する^（17）．すなわち，カルボキシ ゾームの殻から逸脱して細胞質に放出されるような場合 には不活性化していると考えられる．実際にヒトCAを シアノバクテリアの細胞質に強制発現した場合，シアノ バクテリアのCCMは機能しなくなり，高CO2要求性の 表現型に変わる^（18）．カルボキシゾームにCcmMが局在 し，CO2生成部位が限定されていることが細胞からの CO2漏出制御に重要であることがわかる．

海洋性ケイ藻類のように四重包膜葉緑体を有し，細胞 内の区画構造が極めて重層的な細胞にも，シアノバクテ リアの知見から類推可能なCO2漏出制御戦略が存在す ると考えられる．先にも述べたように，多くの真核藻類 において，シアノバクテリアのカルボキシゾームに対応 するCCMの収斂点となる部位はピレノイドと考えられ る．一次共生型葉緑体ピレノイドの生化学的構成や機能

については，緑藻 で分子研究がなされて いる．二次共生型葉緑体ピレノイドについては海洋性ケ イ藻 で最も分子研究が進んでいる．いず れの場合もRuBisCOを除いた構成因子は現在わかって いるだけでもカルボキシゾームとはかけ離れている．さ らに，緑藻とケイ藻の間でも大きく異なる．緑藻

では，ピレノイドの中を貫通するチラコイド 膜 の 中 に，低CO2生 育 に 必 須 な 因 子 で あ る

α

型CA，

CAH3が局在し，光照射下におけるチラコイドルーメン の酸性環境を利用してHCO3−からCO2を生成してピレ ノイドにあるRuBisCOに供給していると考えられてい る^（19）（図6）．さらにピレノイドからストロマへ漏出する CO2はストロマ局在

β

型CAであるCAH6によってスト ロマのアルカリ環境を利用してHCO3−に変換されピレ ノイドを囲むように局在するLCIB/C複合体によって捕 捉されることが示唆されている^（20）（図6）．一方，ケイ藻 では，チラコイドルーメンにCAはな く，ピレノイドに局在する2種の

β

CA，PtCA1および

PtCA2がストロマに送り届けられたHCO3−を脱水し，

同じくピレノイドに局在するRuBisCOに直接供給する と考えられている^{（14, 21）}（図6）．ケイ藻類にも緑藻に見ら れるLCIBホモログが複数存在するが，この局在と機能 についてはまだわかっていない．また，

において葉緑体からのCO2漏出を制御する分子機構も 現時点で不明である．このように，シアノバクテリア，

緑藻，およびケイ藻におけるCCM収斂点の機構は，関 与する分子とそのCO2流路制御に大きな違いが見られ，

進化的な系統性も希薄である．しかしながら，本質的な 戦略として，RuBisCOを中心とした特殊領域を作り，

そこで局所的にCO2を発生させ，さらにCO2の漏出を 制御する機構を収斂進化させているという点で一致して いる（図6）．

ほかの炭酸脱水素酵素とその局在

現在，CAはそのアミノ酸配列から

α

, 

β

, 

γ

, 

δ

, 

ε

および

ζ

の6つの型に分類されている．

α

および

β

型CAは動植物 に広く分布する．

γ

型はアーキアやシアノバクテリアな どに見られ，起源の古いCAと考えられてきたが，高等 植物のミトコンドリアなどにも同様のタンパク質が広く 見られることがわかってきている．しかし，このタンパ ク質のCA活性は認められていないため，

γ

型CAはもと もと別の機能を有し，一部がCAとしての機能を獲得し た進化起源の新しいCAという指摘もある．藻類CCM の研究から近年新たなCAが相次いで発見されている．

ε

-CAはシアノバクテリアや化学独立栄養細菌のカルボ キシゾームにのみ見られ，一方，

δ

および

ζ

型はケイ藻を 皮切りに海洋性クロミスタで新たに発見された^{（22, 23）}． しかしながら にはこれら新規のCA遺伝 子はなく，

α

, 

β

，および

γ

型CAのみがゲノムにコードさ れている^（14）．

ゲノム上のCA遺伝子は全部で9個あ り，このうち2つの

β

型CAはこれまでに述べてきたピ レノイド型のPtCA1およびPtCA2である．残り7つの うち5つは

α

型CAおよび2つは

γ

型CAである．先に述 べた

β

型がピレノイドに局在するのに対し，

α

型CAはす べて葉緑体四重包膜系に局在する^（14）．また，2つの

γ

型 CAはともにミトコンドリアに局在する^{（14, 24）}．ケイ藻類 の葉緑体四重包膜はDICをはじめとする物質の葉緑体 への輸送に大きな障壁になり，それぞれの膜に特異的な 輸送体が必要と考えられる．しかし逆に，葉緑体からの CO2漏出に対しては，おそらく多段階の制御ポイントを 提供する構造と考えることも可能である．すなわち，

図5^■PtCA1の局在とその機構

A：PtCA1の分子モデル．C末端（262‒280）に局在に重要なα-へ リックスがある．B：C末端へリックスの疎水性クラスター（白 色）．C：ケイ藻の透過型免疫電子顕微鏡写真，PtCA1抗体で金コ ロイド染色すると，ピレノイド（py）に局在が示される．D：野 生型PtCA1配列をGFP標識した融合タンパク質を発現する

．GFPのピレノイド局在がわかる．E：C末端疎水クラ スターをすべてグルタミン酸に置換したPtCA1：GFP融合タンパ ク質を発現させた場合．GFPはストロマ全体に拡散する．

CAによる葉緑体包膜間スペースにおけるCO2のHCO3−

への変換はCO2漏出制御に高い機能を発揮しうる（図 6）．ケイ藻や多くの二次共生藻類の四重葉緑体包膜は進 化の途上で退化せず現在まで受け継がれていることか ら，何らかの重要な機能があるものと考えられる．

α

型 CAの集中的な局在はこの点からも非常に興味深い結果 である．しかし，葉緑体包膜間スペースのpHは明らか ではなく，この部位の機能は不明である．

PtCA活性の酸化還元制御

話題をPtCAに戻すが，CO2をカルビン回路へ供給す るための酵素がどのような活性制御を受けているのかと いう問題は，その酵素ひいてはCCMのようなシステム 全体の生理的意義に重要なヒントを与えるものである．

一般的に高等植物や緑藻の葉緑体内代謝の多くは酸化還 元状態によって強い制御を受けている．この調節の多く は，光化学系電子伝達によりストロマに生じた還元力を フェレドキシン（Fd）‒チオレドキシン（Trx）系を介 して標的酵素のジスルフィドの開裂に用いることにより 酵素活性を調節する．Fd‒Trx系の標的はカルビン回路 をはじめ，窒素同化，脂肪酸合成，およびデンプン合成

など多岐にわたり，その数は機能未知の標的も含めると 300を超えると言われている．高等植物の葉緑体におい ては，,  ,  ,  ，および のTrxサブタイプが存在して いる．一方，ケイ藻では ,  ,  型Trxが葉緑体に局在し ているものの，カルビン回路にかかわるほとんどの酵素 が酸化還元制御を受けていないことが知られている^（25）． これはケイ藻カルビン回路の特徴の一つであるととも に，ケイ藻葉緑体におけるFd‒Trx系機能の謎でもあ る．

最近の研究で，ケイ藻葉緑体型TrxがPtCA1および PtCA2を標的として，還元により活性化していること が 実験で直接示されている^（26）．これら2つの PtCAには，活性部位の亜鉛リガンドである2つのシス テイン（Cys）のほかにPtCA1の105および166番目お よびPtCA2の102および163番目にCys残基がある（図 7_）．この2つのCysが還元的に開裂するとPtCAは活性 化し，分子内ジスルフィド結合を形成することにより不 活性化される^（26）．ジスルフィド開裂のための電子供与 は光化学系IからFd‒Trxを介して行われると考えられ る^（26）．一方で，酸化による分子内架橋は大気分圧を超 えるレベルの分子酸素が行っている^（26）．この特異性は 高く，かなり高濃度の酸化型アスコルビン酸，酸化型グ 図6^■CCMのモードとCAの役割

A : シアノバクテリアで詳細に解明されているCCM．細胞膜（pl）上の3種のHCO3−輸送体およびチラコイド膜（Thy）上の2種の CO2→HCO3−変換系によって蓄積されたHCO3−が，カルボキシゾーム（Carb）侵入時にCcmMによってCO2に脱水されRuBisCOで固定 される．B : 緑藻 で提唱されているモデル．細胞質（Cyt）に取り込まれたHCO3−は葉緑体包膜（Ce）のHCO3−輸送体でさ らにストロマ（St）に送られ，ピレノイド（Py）を貫通するThyルーメンのCAH3でCO2に変換されRuBisCOに供給される．漏出する CO2はStでCAH6とLCIB/Cによって再捕捉される．C : で考えられるモデル．葉緑体ER（CER）およびCe上の輸送体で HCO3−をPyへ送りPtCAによってCO2を発生してRuBisCOへ供給する．漏出するCO2はペリプラスチダル区画（PPC）のα-CA群によっ てHCO3−に再変換され，再び輸送される．

ルタチオン，あるいは過酸化水素でも不活性化は起きな い^（26）．光化学系からのNADPHとATPがカルビン回路 で積極的に使われる局面ではPtCAが光化学系IIで生じ る酸素により不活性化される一方で，カルビン回路の ターンオーバーが弱まるような局面では光化学系Iの還 元圧の高まりに応答してPtCAは活性化されCO2供給力 を増強するのではないかと考えられる（図7）．このよ うに，RuBisCOへのCO2供給は光化学系I, IIのエネル ギー状態に応じて微調整されているものと考えられる．

CCMと光化学系のかかわりはまだよくわかっていない が，CCMはカルビン回路へのCO2供給だけでなく，能 動輸送などで光エネルギーを消費する系でもあり，光ス トレスとのかかわりという側面からも興味深い課題であ る．

ケイ藻の転写レベルCO2応答

PtSLC4，PtCAなどのCCM因子は転写レベルでCO2

濃度の変動に応答しており，環境微生物の一次生産系が CO2変動へ応答する分子機構として興味深い現象であ る．PtCA1遺伝子である は数パーセント程度の CO2を混入した高CO2大気条件では転写されず，通常の 大気レベルCO2濃度（約0.04%）に移すと，50倍程度ま でその転写量が増加する^（27）．なお，転写抑制にかかわ るCO2濃度はおそらく大気レベルの数倍で十分な抑制 効果があるものと考えられるが，細胞が比較的高濃度で ある実験培養系では，ケイ藻細胞が活発にDICを使っ てしまう．このため筆者らは通常のCO2処理実験では 十分量のCO2を加えているが，これまでにケイ藻の高親 和性光合成の発現レベルの変動を培養液中のDIC濃度 を精密に調節して調べている．結論を言うと培養液中の CO2濃度がCCMレベルの主要決定因子であり，HCO3−

や全DIC濃度はシグナルとなっていないことが で示されている^（7）．緑藻クラミドモナスやク ロレラのCCM制御でも同様の結果が示されており，シ アノバクテリアのCCMでは，全DICがCCM調節のシ グナルとなっているという結果と対照的である．おそら く，バクテリアのシステムではCO2減少に伴う光合成や 光呼吸の代謝バランスシフトがメタボライトシグナルを 形成するのに対し，真核生物のシステムでは直接的なセ ンサーなどがより強い影響を及ぼしているものと筆者ら は考えている．

興味深いことに，低CO2順化時の 転写活性は，

光を消してしまうと50%程度に低下する．またcAMP アナログであるジブチリルcAMP（dbcAMP）（0.5 mM 程度）を加えると，光照射下の低CO2においても 転写をほぼ完全に抑制する^（27）．これらの事実から やそのほかのCCM因子の転写制御には光とCO2のクロ ストークおよび二次メッセンジャーとしてcAMPがか かわっていることが強く示唆されている．光とCO2の クロストークはシアノバクテリアや緑藻でも観察されて おり，CCM制御に一般的な特徴と言えるが，一方で cAMPのCCM制御への関与はシアノバクテリア，緑藻 で認められておらず，動物細胞に近い最終宿主と共生し て成立したと考えられるクロミスタなど，二次共生藻に 特有の現象である可能もある．

遺伝子のプロモーター領域（P ）約1.3 kbp に対し，5′トランケーション，リンカースキャン，およ び1塩基置換による一連のシスエレメント絞り込み実験 を行った結果， 転写開始点から−90 〜−38の領 域にTGACGT/Cのコンセンサス配列が3つ互いに逆方 向に配置した領域がCO2とcAMPに応答するための必 須配列であることが示された^{（27, 28）}（図8_{）．このエレメン} ト はCO2/cAMP responsive element（CCRE）1 〜 3と

図7■PtCA1およびPtCA2の構造と 酸化還元調節モデル

A, B : ピ レ ノ イ ド 型 CA, PtCA1およびPtCA2の構造モデ ルと，分子内ジスルフィド形成による 酵素不活性化に働くシステイン残基

（緑 色）．C : 葉 緑 体 内 で 予 想 さ れ る PtCA1, 2酸化還元制御モデル．Fd : フェレドキシン，FTR : フェレドキシ ン‒チ オ レ ド キ シ ン レ ダ ク タ ー ゼ，

Trx : チオレドキシン．

名づけられ，このうち中心にあるCCRE2がほかの2つ に 対 し て 逆 向 き に 配 置 す る エ レ メ ン ト で あ る^（28）． CCRE2を削除するだけで高CO2での転写抑制が消失す るのに対して，CCRE1あるいはCCRE3のいずれかが削 除されてもCO2応答性に影響しない．さらにCCRE2も 単独ではCO2応答性エレメントとして機能しないこと から，これらのエレメントはCCRE2を中心として，

CCRE1/2あるいはCCRE2/3の組み合わせで機能するこ とが示されている^（28）．これらの組み合わせはともに配 列が相補的であり，転写制御の際にステムループ構造な どの立体構造を形成して機能する可能性が考えられる

（図8）．

CCREは哺乳類でよく知られているcAMP応答型の bZIP転写因子であるATF6（Activating Transcription  Factor6）の典型的な標的配列である．

ゲノムには少なくとも8つのATF6型DNA結合領域を 有するbZIP遺伝子がある（ , , , , , ,

, ）（図8）．これらを大腸菌で強制発現し，

でCCRE配列との結合を観察した結果，PtbZIP11が特 異的なCCRE結合因子であることがわかっている^（28）．

現在，PtbZIP11の相互作用因子やこれよりさらに上 流のシグナル伝達系，およびCO2センシング系はわかっ ていない．ただし，cAMPがCO2シグナルのセカンド メッセンジャーとして働いていることから，cAMPの生 成系や分解系の活性がDICをエフェクターとして調節 されることによりシグナルを感知している可能性が考え

られる（図8）．これまでに，シアノバクテリアから哺 乳類まで保存されている可溶型アデニル酸シクラーゼ

（sAC） がDICセ ン サ ー で あ る こ と が 報 告 さ れ て い

る^{（29, 30）}．2種のモデルケイ藻ゲノムにおいても，sAC候

補遺伝子は存在し，これらはCO2あるいはHCO3−をエ フェクターとする場合に保存されているアミノ酸配列を 有している^（10）．興味深いことに，ケイ藻の膜貫通型AC

（tmAC）候補の中にもDICをエフェクターとして活性 調節される可能性のある一次構造を有するものがあ る^（10）．また動物などでよく知られたcAMPシグナリン グ系を構成する可能性のあるタンパク質をコードした遺 伝子候補も一部を除いてケイ藻ゲノムに発見されてい る．これらのCO2応答における機能解析が待たれると ころである．

おわりに：ケイ藻に見る多様性と普遍性

本稿では海洋性ケイ藻が光合成の基質であるCO2を 獲得するメカニズムとCO2のレベルに応答する仕組み について，ゲノム株のモデル海洋性ケイ藻で現在わかっ ている分子レベルの情報をまとめた．今回無機炭素を無 機炭素のまま濃縮しRuBisCOまで送り届けるCCMにつ いてのみ解説したが，これは最近バイオフィジカル CCMと呼ばれ，もう一つのCCMであるC4代謝系と区 別されている．C4代謝系は主に高等植物に見られるメ カニズムでバイオケミカルCCMとも呼ばれるが，一部 図8^■ プロモーターコア領域の構造とPtbZIPによるCO2応答転写制御モデル

A： 転写開始点より，上流90 bpまでのコア調節領域の配列．CCRE2はほかの2つのCCRE配列に対して逆方向に配置している．B：

CCRE配列を標的とすることが考えられるヒトATF6型のケイ藻bZIP転写因子候補配列．bZIP領域部のみのアライメント．●CCRE予想 結合部位．＊ロイシンジッパー領域．C：cAMPシグナル系をセカンドメッセンジャーとしたCO2応答性 プロモーター制御モデル．

PttmAC：膜型AC，PtsAC：可溶型AC，PDE：ホスホジエステラーゼ，PKA：プロテインキナーゼA，CBP：cAMP応答配列結合タン パク質．不確定な因子には？を付しているが，これらの遺伝子は ゲノム上に存在する．

の大型海洋性ケイ藻種はバイオフィジカルCCMに加え てC4型のバイオケミカルCCMも有するハイブリッド型 CCMを有するケースが報告されている．筆者らの最近 の研究から，CAの局在にも種間で大きな差があり，海 洋性ケイ藻におけるCCMがかなりの多様性をもつこと が強く示唆されている^（24）．ケイ藻類は大きく分けて，

中心目（Centrics）と羽状目（Pennates）に分けられ る．それぞれの目にはさらに2亜目があり，中心目は Radial CentricsとMultipolar Centricsに， 羽 状 目 は Araphid PennatesとRaphid Pennatesか ら な る．2億 5000万年前にRadial Centricsが出現してからケイ藻は 大陸移動に伴って適応放散し，1億3000万年前にMulti- polar Centricsが，8000万 年 前 にAraphid Pennateが，

そして4000万年前にRaphid Pennateが現れている．こ れらのケイ藻はその細胞のサイズ・形状において極端に 多様化しており，数ミリメートルから数マイクロメート ルまでのものがある．また葉緑体数も細胞あたり1個か ら数百個まで実に多様である．おそらくCO2を獲得す る仕組みは細胞のサイズ・形状や葉緑体の形態と密接に かかわる事象と考えられる．これはケイ藻に限ったこと ではなく，ある程度の普遍的な相互関係に基づく可能性 がある．たとえば緑色植物でも陸生化と細胞の巨大化に 伴い，細胞あたりの葉緑体数が多数化し，ピレノイドと バイオフィジカルCCMの消失および一部の植物ではC4

型光合成の獲得が見られている．二次共生植物において も細胞形態の多様化とCCMの様式には一定の法則性が あるのではないかと筆者らは考えている．

一方でケイ藻ゲノムの詳細な解析から，ケイ藻が常識 的には考えにくいさまざまな代謝の組み合わせを進化の 過程で試行してきた生物であることが垣間見られる．ケ イ藻葉緑体で働くタンパク質のうち，核コードのものの 75%以上が緑藻型，葉緑体コードのものは紅藻型である ことが指摘されている．このことから，ケイ藻の二次共 生では緑藻がまず取り込まれて葉緑体となり（図3）， これに伴って緑藻型遺伝情報が核に移行，その後間もな く紅藻が取り込まれて緑藻型葉緑体に取って代わったこ とが示唆されている（図3）．この複雑な過程を経て成 立したケイ藻類の核ゲノムは，繊毛虫類と考えられる動 物型祖先真核宿主ゲノム，緑藻型および紅藻型の遺伝子 とともに，クラミジアやプロテオバクテリア型遺伝子の 水平伝播も受けてモザイク化している．その結果，ケイ 藻類ではさまざまな系統由来の代謝系がオルガネラ間で 重複した経路を成し，これらが基質やタンパク質の輸送 経路を通じて互いに連携し，既知の植物型代謝には見ら れないバクテリア型代謝あるいは動物型代謝を取り込ん

だネットワークを構成している^（31）．その例として，ケ イ藻では完全な尿素回路が機能しており，これが炭素と 窒素のリサイクル系として働き，栄養飢餓からの回復時 に重要な役割を担っている^（32）．一方，光化学系の過励 起電子をバイパスして散逸させる経路として，ミトコン ドリアのオルタネティヴオキシダーセのシステムを使っ ているという報告もある^（33）．また糖代謝経路にエント ナー・ドウドロフ経路が機能している^（34）．本稿で解説 したSLC型HCO3−輸送体やCO2応答とcAMPシグナル 系の密接な関連なども同様の例として挙げてよいだろ う．また，ケイ藻ゲノムに含まれるORFの50%程度，

数にして4,000を超える遺伝子が未知のユニークタンパ ク質をコードしており，これらの機能は全くわかってい ない．一次生産や環境応答にかかわる経路にも今後全く 新奇の因子や思いもよらなかった既知代謝反応経路の転 用が見いだされる可能がある．

ケイ藻類の一次代謝や生理はどこまでユニークなの か，そしてケイ藻種間でどの程度の多様性をもつのかな ど，予測しにくい問題はあるが，ゲノム株で分子研究の 道が開けていることは大きなブレイクスルーである．限 られた株における分子知見が増え，その情報との比較が 今後進んでいくことによって，ケイ藻機能の多様性と普 遍性が遠からず明らかになっていくと考えられる．冒頭 に述べたようなケイ藻研究の分野貫通的な研究価値が今 後より具体的に高まっていくことを期待している．

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プロフィル

松田 祐介（Yusuke MATSUDA）   

＜略歴＞1987年北海道大学農学部農芸 化学科卒業／1989年同大学大学院農学研 究科修士課程修了／1993年同大学大学院 農学研究科博士後期課程修了，博士（農 学）／同年カナダオンタリオ州立ヨーク大 学理工学部ポストドクトラルフェロー／

1995年同大学理工学部リサーチアソシ エート／1997年関西学院大学理学部化学 科専任講師／2002年同大学理工学部生命 科学科准教授／2008年同大学理工学部生 命科学科教授，現在に至る＜研究テーマと 抱負＞電顕でも見えない細胞内の境目の機 能をいかに知ることができるだろうか？ 

ワインの味と地の塩の関係についても頻繁 に考察している＜趣味＞お酒飲みながら料 理，スキー

中島 健介（Kensuke NAKAJIMA）   

＜略歴＞2004年関西学院大学理学部化学 科卒業／2006年同大学大学院理工学研究 科生命科学専攻修士課程修了／2012年同 大学大学院理工学研究科生命科学専攻博士 後期課程単位取得退学／同年関西学院大学 大学院理工学研究科大学院研究員／2013 年同大学大学院理工学研究科生命科学専 攻，博士号取得（理学）／同年関西学院大 学大学院理工学研究科博士研究員，現在に 至る＜研究テーマと抱負＞海洋性ケイ藻の 有用物質生産に重要な無機炭素および無機 栄養の獲得機構を分子レベルで解明するこ とを現在の研究テーマにしている．この研 究を基に，将来的には海洋性ケイ藻を有用 物質生産工場として利用し，さまざまな産 業分野と連携を図っていきたいと考えてい る＜趣味＞ドライブ，キャンプ，音楽鑑賞 菊谷 早絵（Sae KIKUTANI）   

＜略歴＞2005年関西学院大学理学部化学 科卒業／2007年同大学大学院理工学研究 科生命科学専攻博士前期課程修了／2013 年同大学大学院理工学研究科生命科学専攻 博士後期課程修了，博士号（理学）取得／

2014年同大学大学院理工学研究科博士研 究員，現在に至る＜研究テーマと抱負＞海 洋性ケイ藻葉緑体ピレノイドの生化学的構 造と機能の解明．＜趣味＞フラワーアレン ジメント，ヨガ