【解説】
環境ストレスとゲノム進化
トランスポゾンの生物学的意義
伊藤秀臣
動く遺伝子であるトランスポゾンは，われわれを含むほとん どの生物がもっている内在性の因子である．科学の進歩とと もに，トランスポゾンの役割，存在意義が重要視されるよう になってきた．というのも，トランスポゾンは生物の発生過 程で必要な遺伝子発現を調節するなど，生命の存続に重要な 役割を果たすことが明らかになってきたためである．では，
トランスポゾンはいつ，どのように維持，保存されてきたの であろうか？ ここでは，環境ストレスが引き起こすトラン スポゾンの活性化とトランスポゾンの転移がもたらすゲノム 進化について解説したく思う．
トランスポゾンについて
トランスポゾンはその名のとおりゲノム上を移動する 能力をもつ遺伝子（塩基配列）である．ゲノムは生物が もつ遺伝情報の基本単位でありトランスポゾンはさまざ まな生物のゲノムに広く保存されている．トランスポゾ ンは大別するとDNA型のものとレトロトランスポゾン に分けられる．DNA型のトランスポゾンはそのDNA
断片がゲノム上のある領域から切り出されて新しい場所 に挿入される転移様式をとる．トランスポゾン配列の両 末端には特有の反復配列が保存されており，転移の過程 でこの配列が切り出された形跡として残るが，トランス ポゾン自身のコピー数はもとの場所から切り出されるた め変化しない．一方レトロトランスポゾンは，一度転写 したトランスポゾンのメッセンジャー RNAをもとに逆 転写反応を行うことで相補的DNAを合成し，このDNA 断片が新しい領域に挿入する様式をとる．この場合は，
もとの場所にオリジナルの配列を残したまま，新しく別 の場所に挿入が起こるためレトロトランスポゾンのコ ピー数は増加する（図
1
）．どちらの場合も転移にはト
ランスポゾンが自らコードしているトランスポザーゼと いう酵素が必要であり，この酵素がDNAの切断と挿入 の働きを担っている．このように，トランスポゾンは一 見寄生のような振る舞いをするDNA配列であるが，長 い進化の過程で，現存するものはほとんどが自らの遺伝 子内に塩基置換や欠損などの 傷 が入り転移能力を 失っている．また，転移能力があったとしても宿主（こ の場合トランスポゾンを含むゲノムをもつ生物自身のこ と）が獲得したトランスポゾン抑制機構によりその活性 Environmental Stress and Genome Evolution : Biological Signifi-cance of Transposons Hidetaka ITO, 北海道大学
は抑えられているものがほとんどである．それでは，い つ，どのようにトランスポゾンが増加してきたのであろ うか？ われわれヒトを含むほとんどの生物がそのゲノ ム内にトランスポゾン様の配列を保有する．しかしなが ら，現在活発に活動するトランスポゾンは探すことが困 難なほど少数なのである．
この疑問に対する一つの答えを得るために，筆者らが 着目したのが環境ストレスである．生物の生息環境の劇 的な変化がその個体にとってストレスとなり，それが引 き金となりトランスポゾンが活性化しゲノム構造を改変 する原動力となっているのではないかという仮説を立て ている．実際に筆者らはモデル植物であるシロイヌナズ ナを用いた研究からこの仮説をサポートする結果を得る ことができた（1）
．本稿では，環境ストレスが生物に与え
る影響について，動く遺伝子であるトランスポゾンとゲ ノム進化という観点から解説していきたい．植物におけるトランスポゾンの特徴
環境ストレスとトランスポゾンの関係を詳しく述べる 前に，植物ゲノムに存在するトランスポゾンについて少 し解説したく思う．トランスポゾンは，いまから60年 ほど前にアメリカの植物学者であるバーバラ・マックリ ントックによって初めて発見された．彼女は，トウモロ コシの実の色の研究からその表現型がメンデルの法則に 従わない場合があることを見つけた．そして，その現象 の原因が遺伝子の転移であると提唱したのである．後
に，その存在が確認され彼女の功績はノーベル生理学・
医学賞をも受賞するまでに高く評価された．植物で初め て見つかったこの奇妙な因子は，近年の科学技術の進歩 によりさまざまな生物に広く保存されていることがわ かってきた．それと同時に，その生物学的な重要性も明 らかになってきた．トランスポゾンはゲノム内のさまざ まな場所に転移する．時にそれは，挿入先近隣の遺伝子 の発現を変化させる．また，遺伝子内に挿入されれば遺 伝子破壊を引き起こすこともあれば，新しい遺伝子のよ うに振る舞うこともある．植物を例にとると，その成長 に重要な役割を担うトランスポゾンの例がいくつか報告 されている．その一つとして，シロイヌナズナのホメオ ボックス遺伝子であるFWA遺伝子に対するトランスポ ゾンの作用が挙げられる．FWA遺伝子の上流にはレト ロトランスポゾンであるSINE様の配列が存在し，この 塩基配列は高度にメチル化されている（2）
．そのため，ほ
とんどの組織ではFWAの発現は抑制されている．例外 的に生殖細胞の胚乳組織では脱メチル化が起こりFWA 遺伝子が発現する（3）．少し詳しく説明すると，胚乳組織
では母親由来のFWA遺伝子のみが発現する．このよう に対立遺伝子が父親から由来したか母親から由来したか に応じて遺伝子発現のオン・オフが決定される遺伝子を インプリント遺伝子と呼ぶ．インプリント遺伝子は動植 物問わず保存されており，その制御には反復配列やトラ ンスポゾン配列が関与している．FWA遺伝子は異所的 に発現してしまうと花成時期の遅延など生存に不利な表 現型が出現することから，シロイヌナズナは生殖戦略に図1■トランスポゾンの種類 A. DNA型トランスポゾン.末端に逆 方向反復配列が保存されている．転 移後もとの場所には反復配列のみが 残る．B. レトロトランスポゾン．末 端に同方向反復配列を有し，転移後 にはもとの位置にオリジナルを残し たまま新たな転移先にコピーが挿入 される．
効果的なこのトランスポゾン配列を獲得したと考えられ る．
先に述べたように，トランスポゾンの転移は宿主に とって遺伝子破壊などの悪影響を与えかねない．そこ で，宿主はトランスポゾンの転移を抑制する機構を獲得 した．トランスポゾンの転移を抑制するには，トランス ポゾン遺伝子の発現を抑制する方法と，転移自体をブ ロックする方法が考えられる．前者の場合，宿主は DNAのメチル化やヒストン修飾などのエピジェネ ティックな制御機構を用いている．モデル植物であるシ ロイヌナズナを例に述べると，ゲノムの約17%はトラ ンスポゾン配列であり（4）
，そのほとんどがエピジェネ
ティックな制御を受けている．DNAのメチル化を担う 遺伝子の変異体などでは，トランスポゾン配列の脱メチ ル化が起こり，抑制を逃れたトランスポゾンが活性化し 転移が起きる（5〜7）．トランスポゾンの転移した集団のな
かでは，個体の成長をコントロールする遺伝子などの発 現異常によりさまざまな奇形が生じる場合がある（図2
）．
2つ目の防御機構として，宿主が転移自体を制御する 可能性が考えられる．これは，万が一転写制御が解除さ れてしまった場合の保障のようなもので，転写活性が起 きた場合でも最終的にトランスポゾンの転移を制御する 機構である．宿主にとって致命的なのはトランスポゾン の挿入による有害な転移が次世代に伝わることである．
そのため，生殖細胞におけるトランスポゾンの転移の防 御が重要になると考えられる．詳しいメカニズムはまだ 明らかにされていないが，シロイヌナズナでは小分子 RNAを介した機構の存在が示唆されている．植物特有 な小分子RNAの働きとしてRNA指令型DNAのメチル
化機構 （RNA-directed DNA methylation ; RdDM） が知 られている．植物に独特なRNAポリメラーゼ IV （PO- LIV） が植物ゲノム内のトランスポゾンや反復配列から メッセンジャー RNAを転写する．転写されたメッセン ジャー RNAを鋳型としてRNA依存型RNAポリメラー ゼ （RDR2） が 二 本 鎖RNAを 合 成 す る．こ の 二 本 鎖 RNAがいくつかの行程を経て小分子RNAとなる．生成 した小分子RNAは相補的な配列をもつトランスポゾン や反復配列のメチル化を誘導しメチル化された配列は転 写抑制状態になる．この機構はトランスポゾン配列など のメチル化を介した転写の抑制機構に働くことが報告さ れてきたが，筆者らの研究からこの小分子RNAがトラ ンスポゾンの転移を制御している可能性が示された（1）
．
シロイヌナズナの小分子RNA合成経路の変異体を用い た実験では，活性化したトランスポゾンが世代を超えて 転移し，次世代集団でトランスポゾンの新たな挿入が観 察された．このことから，植物における小分子RNAは トランスポゾンの転写のみならず転移活性も制御してい る可能性がある．このように，宿主にとって重要な機能を獲得したトラ ンスポゾンがある一方で，多くの場合トランスポゾンの 活性化は宿主にとって悪影響を及ぼすことが考えられ る．それでは，自然界でトランスポゾンが活性化する条 件とは何なのであろうか？ 次章では，環境ストレスに 着目したトランスポゾンの活性化について述べたい．
環境ストレスで活性化するトランスポゾン
ストレスと一言で述べても，その意味は各々の生物に 図2■トランスポゾンによる遺伝子 制御
A. 遺伝子の上流にトランスポゾン配 列が存在し，多くの体細胞組織では 高度にメチル化されている．そのた め下流のFWA遺伝子の発現が抑制 されている．B. シロイヌナズナの DNAのメチル化が低下する変異体で は，レトロトランスポゾンATGP3-1 が活性化しFAS1遺伝子内部に転移 した結果，FAS1遺伝子の機能破壊が 起き植物の花の形態異常が起こる．
とってさまざまであろう．ここでは，生物にとってある 恒常的な状態からの短期的もしくは長期的な環境の変化 という意味で「ストレス」という言葉を用いることにす る．動物では発生における細胞の環境変化として，生殖 細胞で活性化するトランスポゾンが知られており，生殖 細胞特異的に働く小分子RNAを介したトランスポゾン 制御機構も明らかになりつつある（8）
．ヒトでは，受精後
の発生初期に活性化するトランスポゾンも報告されてい る（9）．また，熱ストレスに対して活性化するトランスポ
ゾンが知られている（10, 11）．熱ストレスは，熱ショック
タ ン パ ク 質 （Heat Shock Protein ; HSP） と 称 さ れ る シャペロンタンパク質を誘導する．熱ショックタンパク 質は熱に対するストレスのみならずさまざまなストレス に応答して誘導され，その一部はトランスポゾンの発現 を調節するという報告がある．次に，植物における環境ストレスとトランスポゾンの 関係をより詳しく解説したく思う．植物は動物と異なり その生育環境を移動させることによりストレスを回避す ることができない．そのため，環境の変化に対してより 柔軟な対応が必要となり，結果として植物特有の環境適 応能力を獲得してきたように思える．キンギョソウの DNA型トランスポゾンTam3は低温で高頻度に転移す ることが知られている（12）
．この転移活性にはTam3の
末端配列のメチル化が関与しており低温では末端配列の 低メチル化が誘導され転移頻度が上がることが明らかになっている．また，紅藻であるスサビノリに保存された レトロトランスポゾンPyREは，高圧電流に対し転写が 活性化する（13）
．さらに，筆者らの研究から，通常20℃
前後の生育環境であるシロイヌナズナを一時的に37℃
程の熱ストレス環境下で育てるとレトロトランスポゾン が活性化することが明らかとなった（1）
．熱ストレスで活
性化するレトロトランスポゾンはその配列上に熱誘導型 のプロモーター配列をもつことで，熱に応答した転写活 性を示すようである．このトランスポゾン配列は近縁種 のアブラナ科植物にも保存されておりいくつかの種では シロイヌナズナ同様に熱活性を示す（14）．近縁種は通常
比較的涼しい地方に生息しており，いつトランスポゾン が転移したのか興味深いところである．もう一つ，植物の特徴として分化全能性が挙げられよ う．近年，動物の幹細胞をもとにした再生医療技術が確 立されつつあるが，植物では葉や根など分化した細胞か ら比較的容易に個体を再生することができる．この植物 細胞がもつ能力を分化全能性と呼び，組織培養によるク ローン植物の作製や，細胞融合技術を用いて育種上重要 な植物の品種改良などに応用されている．また，基礎研 究の分野においても植物ホルモンを人工的に調整するこ とで植物組織から単離した細胞を脱分化させ，未分化の 細胞の固まりであるカルスを誘導する技術が利用されて いる．誘導されたカルスに人工的に工作されたアグロバ クテリウムと呼ばれる土壌細菌を感染させることで遺伝
図3■植物の脱分化，再分化過程に おけるトランスポゾン活性 植物組織を脱分化させることで未分 化細胞の誘導を行う．この際レトロ トランスポゾンの活性が起きる．未 分化細胞を再分化させて作られた植 物個体には新たなトランスポゾンの 転移が起き発生に重要な遺伝子発現 を変化させるとさまざまな表現型が 現れる．
トランスポゾンの活性化
子導入を行い，遺伝子組換え植物を作製することができ る．この遺伝子組換え植物の作製にも分化全能性が活躍 している．植物におけるカルス誘導でトランスポゾンが 転移する例が知られている．イネのAc/Ds型トランス ポゾンはカルス化することで転移する．また，イネのレ トロトランスポゾンTos17はカルスを経た培養細胞で転 移しイネの品種改良などの応用技術として利用されてい る（15）
．タバコにおいてもTto1というレトロトランスポ
ゾンが培養などのストレスにより転移することが知られ ている（16）．このように，細胞の脱分化，再分化過程で
のトランスポゾンの転移が植物では観察される（図3
）．
自然界では，植物に傷ができたときに，傷口にカルス化 した細胞が作られる．実際にそのような細胞で活性化し たトランスポゾンが転移しゲノム構造の変化が起きてい るかは明らかではないが，物理的な外的ストレスによっ てトランスポゾンが活性化する可能性を示唆している．ストレスで転移したトランスポゾンによる効果 ここまでさまざまなストレスにより活性化するトラン スポゾンの例を紹介してきたが，実際にトランスポゾン の転移が宿主生物に与える影響について転移前後でその 効果を直接比較した報告は非常に少ない．それは，トラ ンスポゾンの転移を人工的にコントロールすることが困 難であるためである．
筆者らは近年，シロイヌナズナにおいて高温で活性化 するレトロトランスポゾンを同定した．このトランスポ ゾンは通常転写活性はなく，高温で転写の活性化が起き る．また，小分子RNAの合成経路の変異体を用いるこ とでトランスポゾンの転移が次世代に伝わることを見つ けた（1）
．このトランスポゾンを用いることで，高温スト
レスで活性化したトランスポゾンが宿主ゲノムに与える 影響を調べることができると考えた．実際に高温ストレスを与え，次世代に転移が伝わったトランスポゾンの転 移領域を調べると，その多くが宿主であるシロイヌナズ ナゲノム内の遺伝子のなかに飛び込んでいることが明ら かになった．このことは，宿主の遺伝子発現を効率的に 変化させることを示唆している．実際に新たに挿入の見 られた遺伝子の発現を調べてみると，いくつかの遺伝子 の発現がトランスポゾンの挿入によって変化しているこ とがわかった．さらに，その発現の変化は高温ストレス を与えた際に起きることも明らかとなった．この観察結 果から，高温で活性化するトランスポゾンの新規の転移 は，シロイヌナズナの遺伝子発現を変化させるという直 接の証拠を得ることができた（図
4
）．
今回示したものは一例にしか過ぎないが，トランスポ ゾンはさまざまな生物に保存されており，環境ストレス で活性化するトランスポゾンも数多く報告されているこ とから，環境ストレスにより活性化したトランスポゾン が宿主の生育に何らかの影響を与えることは想像に難く ない．トランスポゾンの活性化が宿主の遺伝子発現を制 御して環境に適応していることも考えられる．また，長 期的な環境ストレスへの適応としては，世代を超えた獲 得形質の継承が考えられる．この場合，環境ストレスを 受けた生物は，積極的にトランスポゾンの転移を介した ゲノム改変を利用しているのであろうか？ それともト ランスポゾンの転移の結果，新たな環境に適応した形質 を獲得したものが選択的に生き残るという受動的な現象 なのであろうか？ その答えは明らかではないが，トラ ンスポゾンの転移が生物の進化の原動力であることに間 違いはないであろう．
おわりに
トランスポゾンは発見以来，ゲノム進化の大きな原動 力になると考えられてきた．しかし長い間実際にそれを
図4■環境ストレスとゲノム進化 環境ストレスによりトランスポゾン が活性化し，転移が世代を超えて伝 わるとトランスポゾン転移集団のな かには新しい環境に適応した個体が 生じる可能性がある．
環境ストレス 環境ストレス
トランスポゾンの活性化 世代を超えた転移
証明することはできなかった．近年の科学技術の進歩に よって，われわれヒトを含む多くの生物のゲノム情報の 入手が可能となり，トランスポゾンの詳しい性質につい ても明らかになってきた．トランスポゾンの興味深い点 はその変異原になりうる性質もさることながら，宿主と の攻防によって成り立っている点である．トランスポゾ ンと宿主の利己的とも思える生存戦略において，トラン スポゾンは自身を転移させることで己の遺伝子を維持す ることに努める一方，宿主はトランスポゾン配列の異所 的な挿入によるゲノム破壊から自らを守るためにトラン スポゾンの活性化を制御する機能を獲得したようだ．通 常この関係は拮抗状態にあるのだが，一度環境変化によ りそのバランスが崩れると，トランスポゾンの活性化が 起こり，時に宿主のゲノム変化が起きる．ゲノム変化に より獲得した宿主の形質が新たな環境に適応しない場 合，その個体はトランスポゾンともども自然選択の結果 消失してしまうのであるが，ある確立で環境に適応した 個体が誕生した場合，ゲノム進化が起きるのではない か．宿主が新たな環境で生き延びることはトランスポゾ ンにとっても自らを存続させるために必要なことなので ある．ここでは，トランスポゾンと宿主を別物として考 えているが，元来トランスポゾンも宿主の内在性の配列 である点から考えると，トランスポゾンは宿主が新しい 環境で生き延びていくために必要なツールなのかもしれ ない．
文献
1） H. Ito, H. Gaubert, E. Bucher, M. Mirouze, I. Vaillant & J.
Paszkowski : , 472, 115 （2011）.
2） Y. Kinoshita, H. Saze, T. Kinoshita, A. Miura, W. J.
Soppe, M. Koornneef & T. Kakutani : , 49, 38
（2007）.
3） T. Kinoshita, A. Miura, Y. Choi, Y. Kinoshita, X. Cao, S.
E. Jacobsen, R. L. Fischer & T. Kakutani : , 303, 521 （2004）.
4） N. Buisine, H. Quesneville & V. Colot : , 91, 467
（2008）.
5） A. Miura, S. Yonebayashi, K. Watanabe, T. Toyama, H.
Shimada & T. Kakutani : , 411, 212 （2001）.
6） S. Tsukahara, A. Kobayashi, A. Kawabe, O. Mathieu, A.
Miura & T. Kakutani : , 461, 423 （2009）.
7） M. Mirouze, J. Reinders, E. Bucher, T. Nishimura, K.
Schneeberger, S. Ossowski, J. Cao, D. Weigel, J. Pasz- kowski & O. Mathieu : , 461, 427 （2009）.
8） S. E. Castel & R. A. Martienssen : , 14, 100 （2013）.
9） A. Fadloun, S. Le Gras, B. Jost, C. Ziegler-Birling, H.
Takahashi, E. Gorab, P. Carninci & M. E. Torres-Padilla : , 20, 332 （2013）.
10） W. M. Liu, W. M. Chu, P. V. Choudary & C. W. Schmid : , 23, 1758 （1995）.
11） G. F. Bouvet, V. Jacobi, K. V. Plourde & L. Bernier : , 45, 565 （2008）.
12） S. N. Hashida, K. Kitamura, T. Mikami & Y. Kishima : , 132, 1207 （2003）.
13） K. Hirayama, D. Wang, M. Matsuda, X. Lin, T. Namihira, H. Takano, S. Takio & H. Akiyama :
, 115, 1110 （2009）.
14） H. Ito, T. Yoshida, S. Tsukahara & A. Kawabe : , 518, 256 （2013）.
15） H. Hirochika, K. Sugimoto, Y. Otsuki, H. Tsugawa & M.
Kanda : , 93, 7783 （1996）.
16） H. Okamoto & H. Hirochika : , 23, 291 （2000）.
プロフィル
伊藤 秀臣（Hidetaka ITO）
＜略歴＞1999年京都大学農学部生物生産 学科卒業／2004年同大学大学院農学研究 科博士課程修了／同年国立遺伝学研究所 博士研究員／2007年スイス連邦ジュネー ブ大学博士研究員を経て，2010年より北 海道大学大学院理学研究院助教．2011年 より科学技術振興機構 （JST） さきがけ研 究員兼任＜研究テーマと抱負＞専門は植物 遺伝学．環境ストレスとトランスポゾンの 活性という観点から植物のゲノム構造の変 化と環境適応の関係について理解しようと 研究に取り組んでいる＜趣味＞テニス，ス キー，国内外旅行
