新 聞 :7 月 22 日 朝 刊 以 降 解 禁 インターネット:7 月 22 日 午 前 1 時 以 降 解 禁 平 成 26 年 7 月 14 日 国 立 大 学 法 人 豊 橋 技 術 科 学 大 学 Press Release 世 界 初 動 物 とバクテリアの 融 合 機 構 の 一 端 を 解 明 アブラムシは 細 菌 から 獲 得 した 遺 伝 子 からタンパク 質 をつくり 共 生 細 菌 へ 輸 送 皆 さんは 庭 先 の 大 切 な 花 が いつの 間 にかアブラムシでいっぱい などというご 経 験 をお 持 ちではないでしょうか 害 虫 として 悪 名 高 いアブラムシは 栄 養 の 乏 しい 植 物 の 汁 を 吸 いながら 爆 発 的 に 繁 殖 します この 繁 殖 力 を 支 えているのが 栄 養 分 を 作 ってアブラ ムシに 提 供 する 共 生 細 菌 ブフネラ です アブラムシは 菌 細 胞 という 特 殊 な 細 胞 の 中 にブフネラをすまわせ 2 億 年 にわたって 親 から 子 へと 受 け 継 いでおり ブフネラな しでは 繁 殖 できません また ブフネラはその 間 にたくさんの 遺 伝 子 を 失 っていて 菌 細 胞 の 外 では 生 きられません 今 回 豊 橋 技 術 科 学 大 学 の 中 鉢 淳 准 教 授 は 理 化 学 研 究 所 岩 手 医 科 大 学 東 京 工 業 大 学 国 立 遺 伝 学 研 究 所 と 共 同 で アブラムシが 細 菌 から 獲 得 した 遺 伝 子 を 使 ってタン パク 質 を 合 成 し そのタンパク 質 をブフネラに 運 ぶ 仕 組 みを 進 化 させていることを 明 らか にしました これは 太 古 ミトコンドリアや 葉 緑 体 といった オルガネラ の 成 立 過 程 で 起 きたのと 同 様 の 進 化 が 多 細 胞 生 物 である 動 物 の 中 でも 起 きていることを 示 す 世 界 初 の 発 見 です 今 回 の 成 果 は 生 物 学 全 般 に 大 きなインパクトを 与 えるだけでなく 遠 縁 の 生 物 を 融 合 させる 画 期 的 な 生 命 工 学 技 術 の 基 礎 となる 他 環 境 負 荷 の 低 い 害 虫 防 除 法 の 開 発 など 将 来 的 に 幅 広 い 応 用 につながるものと 期 待 されます この 研 究 成 果 は2014 年 7 月 21 日 ( 現 地 時 間 )に 米 国 の 学 術 誌 Current Biology にオン ライン 掲 載 されます バクテリアと 一 体 化 するアブラムシ( 左 ) 幼 虫 を 産 む 親 虫 ( 撮 影 : 中 鉢 淳 ) ( 右 ) 今 回 明 らかとなった アブラムシとバクテリアとの 融 合 機 構 本 件 に 関 し 取 材 ご 希 望 の 際 は 下 記 担 当 までご 連 絡 下 さい 総 務 課 広 報 係 高 柳 小 島 Tel. 0532-44-6506
世 界 初 動 物 とバクテリア *1 の 融 合 機 構 の 一 端 を 解 明 アブラムシは 細 菌 から 獲 得 した 遺 伝 子 からタンパク 質 をつくり 共 生 細 菌 へ 輸 送 研 究 成 果 のポイント オルガネラ *2 の 太 古 の 進 化 と 同 様 の 進 化 を 動 物 で 発 見 遠 縁 の 生 物 を 融 合 させる 画 期 的 な 生 命 工 学 技 術 の 基 礎 に 共 生 系 を 標 的 とする 環 境 にやさしい 害 虫 防 除 法 の 開 発 へ ( 概 要 ) 豊 橋 技 術 科 学 大 学 の 中 鉢 淳 准 教 授 は 理 化 学 研 究 所 岩 手 医 科 大 学 東 京 工 業 大 学 国 立 遺 伝 学 研 究 所 と 共 同 で アブラムシ *3 が 細 菌 から 獲 得 した 遺 伝 子 *4 を 使 ってタンパ ク 質 *5 を 合 成 し そのタンパク 質 を 共 生 細 菌 ブフネラ *6 に 輸 送 する 仕 組 みを 進 化 さ せていることを 明 らかにしました これは 太 古 ミトコンドリア *7 や 葉 緑 体 *8 といっ *9 た オルガネラ の 成 立 過 程 で 起 きたのと 同 様 の 進 化 が 多 細 胞 生 物 である 動 物 の 中 でも 起 きていることを 示 す 世 界 初 の 発 見 です 今 回 の 成 果 は 生 物 学 全 般 に 大 きなイ ンパクトを 与 えるだけでなく 遠 縁 の 生 物 を 融 合 させる 画 期 的 な 生 命 工 学 技 術 の 基 礎 と なる 他 環 境 負 荷 の 低 い 害 虫 防 除 法 の 開 発 など 将 来 的 に 幅 広 い 応 用 につながるものと 期 待 されます この 研 究 成 果 は2014 年 7 月 21 日 ( 現 地 時 間 )に 米 国 の 学 術 誌 Current Biology にオンライン 掲 載 されます 1
1. 背 景 農 業 害 虫 として 悪 名 高 いアブラムシ( 図 1)は 栄 養 の 乏 しい 植 物 の 汁 液 だけを 餌 とし ながら きわめて 旺 盛 な 繁 殖 力 を 示 します これを 可 能 にしているのが 微 生 物 との 共 生 関 係 です アブラムシは 体 内 に 菌 細 胞 (bacteriocyte) *10 と 呼 ばれる 特 殊 な 細 胞 を 持 ち この 中 に 共 生 細 菌 ブフネラ を 多 数 収 納 しています アブラムシはブフネラ の 提 供 する 栄 養 分 に 依 存 して 成 育 しており ブフネラなしでは 繁 殖 できません また ブフネラは 2 億 年 にわたってアブラムシの 親 から 子 へと 受 け 継 がれ その 間 に 多 くの 遺 伝 子 を 失 っているため 菌 細 胞 の 外 では 増 殖 することができません 中 鉢 らの 先 行 研 究 により アブラムシが 様 々な 細 菌 から 遺 伝 子 を 獲 得 し 自 身 のゲノム *11 の 一 部 に していることが 明 らかとなっていました 図 1 研 究 に 用 いたエンドウヒゲナガアブラムシ (Acyrthosiphon pisum)マメ 類 の 害 虫 である 2. 研 究 手 法 と 成 果 本 研 究 では アブラムシが 細 菌 から 獲 得 した 遺 伝 子 のひとつで 機 能 の 不 明 な RlpA4 ( 図 2)に 注 目 しました 図 2 RlpA4 タンパク 質 のドメイン 構 造 SP:シグナルペプチド *12, ICK:インヒビター システインノットモチーフ, DPBB:ダブルψ-βバレルドメイン まず アブラムシのRNAを 抽 出 し RT-PCR *13 法 によりRlpA4 遺 伝 子 の 配 列 を 増 幅 した 後 発 現 ベクター*14 へ 挿 入 して 大 腸 菌 に 導 入 し Hisタグ *15 融 合 タンパク 質 を 合 成 しま *16 した このタンパク 質 をニッケルカラムを 用 いて 精 製 し さらに 電 気 泳 動 法 で 分 離 し *17 た 後 抗 体 作 製 に 用 いました 得 られた 抗 RlpA4タンパク 質 抗 体 を 精 製 後 イムノブ ロット *18 に 用 いて アブラムシの 体 組 織 にRlpA4タンパク 質 が 含 まれるか 調 べました( 図 3) その 結 果 RlpA4タンパク 質 は 親 虫 自 身 の 体 腔 内 に 存 在 する 菌 細 胞 から 特 異 的 に 検 出 されました 図 3 アブラムシ 各 組 織 での RlpA4 タンパク 質 の 検 出 菌 : 親 虫 自 身 の 体 腔 内 の 菌 細 胞 腸 : 中 腸 頭 : 頭 部 胚 : 虫 の 体 内 で 育 ちつつある 胚 2
次 に 同 じ 精 製 抗 体 を 用 いて 免 疫 組 織 化 学 *19 を 行 うと やはりRlpA4タンパク 質 は 親 虫 自 身 の 菌 細 胞 のみから 特 異 的 に 検 出 されました( 図 4A) アブラムシの 体 内 では 次 世 代 の 胚 *20 が 育 ちつつあり この 中 にも 菌 細 胞 が 存 在 しますが 興 味 深 いことに 胚 の 菌 細 胞 からはRlpA4タンパク 質 が 検 出 されませんでした また より 高 倍 率 での 観 察 や 共 焦 点 レーザー 顕 微 鏡 *21 を 用 いた 観 察 により RlpA4タンパク 質 は 菌 細 胞 内 で ブ フネラの 細 胞 に 局 在 することが 明 らかとなりました( 図 4BC) 図 4 RlpA4 タンパク 質 の 分 布 緑 色 のシグナル(Alexa Fluor 488)が RlpA4 タンパク 質 の 存 在 を 示 す 青 色 (DAPI)は DNA (A)アブラムシ 体 内 での RlpA4 タンパク 質 の 分 布 親 虫 自 身 の 菌 細 胞 で 特 異 的 に RlpA4タンパク 質 が 検 出 されている 虫 の 体 内 で 育 ちつつある 胚 にも 菌 細 胞 が 存 在 するが RlpA4 タンパク 質 は 検 出 されない (B) 菌 細 胞 内 での RlpA4タンパク 質 の 分 布 RlpA4タンパク 質 は 核 や 細 胞 質 基 質 ではなく ブフネラに 局 在 していることが 分 かる (C)ブフネラ 細 胞 での RlpA4タンパク 質 の 分 布 *22 さらに 免 疫 電 顕 法 により RlpA4タンパク 質 の 局 在 をより 詳 細 に 調 べたところ RlpA4 タンパク 質 はブフネラ 細 胞 内 に 存 在 することが 確 かめられました( 図 5) これは アブ ラムシのゲノムにコードされたRlpA4 遺 伝 子 からRlpA4タンパク 質 が 合 成 された 後 その タンパク 質 をブフネラ 細 胞 内 に 運 ぶ 輸 送 系 が 進 化 していることを 示 します ブフネラ 細 胞 は 内 外 2 層 の 膜 を 持 ち さらにその 外 側 を 宿 主 由 来 の 一 層 の 膜 に 包 まれていますが こ うした 膜 の 周 辺 からも 若 干 のRlpA4シグナルが 検 出 されました これは 輸 送 途 上 のRlpA4 タンパク 質 に 由 来 するものと 考 えられます 図 5 ブフネラでの RlpA4タンパク 質 の 分 布 の 詳 細 矢 頭 はブフネラの 細 胞 の 境 界 を 示 し 矢 印 はRlpA4タンパク 質 の 存 在 を 示 すシグナル RlpA4 が ブフネラの 細 胞 内 で 検 出 されているの が 判 る 3
以 上 のように 今 回 アブラムシが 細 菌 から 獲 得 した 遺 伝 子 を 用 いて 実 際 にタンパク 質 を 合 成 していること その 合 成 は 親 自 身 の 菌 細 胞 で 特 異 的 に 起 きること タンパク 質 は ブフネラ 細 胞 内 に 局 在 しており 合 成 されたタンパク 質 を ブフネラに 運 ぶ 特 異 的 な 輸 送 系 が 進 化 しているらしいこと が 示 されました ミトコンドリアや 葉 緑 体 といった オルガネラ の 成 立 過 程 では 1)オルガネラとなる 共 生 細 菌 自 身 や その 他 の 細 菌 から 宿 主 ゲノムに 遺 伝 子 が 移 行 し 2) 移 行 した 遺 伝 子 からタンパク 質 合 成 が 可 能 となり さらに 3) 合 成 されたタンパク 質 を 共 生 細 菌 に 運 ぶ 輸 送 系 が 進 化 する 必 要 がありました( 図 6) 中 でも タンパク 質 輸 送 系 の 進 化 が 最 も 困 難 と 考 えられており 長 らく 細 菌 由 来 オルガ ネラとそれ 以 外 の 細 菌 を 区 別 する 指 標 とされてきました 今 回 の 発 見 は こうした 太 古 の 進 化 と 同 様 の 進 化 が 多 細 胞 生 物 である 動 物 の 中 でも 起 きていることを 示 すもので 世 界 初 の 快 挙 です 図 6 オルガネラ 初 期 進 化 とアブラムシ 共 生 系 進 化 の 共 通 性 1) 細 菌 から 宿 主 ゲノムに 遺 伝 子 が 移 行 し 2) 移 行 した 遺 伝 子 からタンパク 質 合 成 が 可 能 となり 3)そのタンパク 質 を 共 生 細 菌 に 運 ぶ 輸 送 系 が 進 化 した 3. 今 後 の 期 待 細 胞 内 共 生 に 基 づくオルガネラの 成 立 は 系 統 的 に 無 関 係 な 複 数 の 生 物 が 融 合 する 例 と して 究 極 のかたちです 今 回 の 成 果 は タンパク 質 輸 送 系 の 進 化 が 異 系 統 生 物 間 の 融 合 にとって 鍵 であるとの 仮 説 を 支 持 する 一 方 この 進 化 が オルガネラの 成 立 過 程 のみ で 起 きた 例 外 的 な 事 象 ではないことを 示 します ブフネラへのタンパク 質 輸 送 系 について 理 解 を 深 めることで 将 来 的 には 遠 縁 の 生 物 を 融 合 させる 画 期 的 な 生 命 工 学 技 術 の 開 発 などにつながるものと 期 待 されます また この 共 生 系 は アブラムシの 生 存 に 必 須 であ る 一 方 周 辺 環 境 中 の 他 の 生 物 には 存 在 しないため 環 境 負 荷 の 低 い 新 規 害 虫 防 除 法 開 発 の 標 的 としても 有 望 です 今 回 の 成 果 は 菌 細 胞 内 共 生 関 係 の 維 持 機 構 に 迫 るもので 近 い 将 来 環 境 負 荷 の 低 い 新 規 防 除 法 の 開 発 に 結 びつくものと 期 待 されます 4
発 表 者 国 立 大 学 法 人 豊 橋 技 術 科 学 大 学 エレクトロニクス 先 端 融 合 研 究 所 (EIIRIS) 准 教 授 ( 独 立 行 政 法 人 理 化 学 研 究 所 バイオリソースセンター 客 員 研 究 員 ) 中 鉢 淳 Tel: 0532-44-6901 E-mail: nakabachi@eiiris.tut.ac.jp 報 道 担 当 国 立 大 学 法 人 豊 橋 技 術 科 学 大 学 総 務 課 広 報 係 高 柳 小 島 Tel. 0532-44-6506 E-mail: kouho@office.tut.ac.jp ( 補 足 説 明 ) *1 バクテリア 細 菌 比 較 的 単 純 な 構 造 を 持 つ 微 小 な 単 細 胞 生 物 細 胞 内 に DNA(デオキシリボ 核 酸 )を 内 包 する 構 造 である 核 を 持 たない *2 オルガネラ 細 胞 ( 内 ) 小 器 官 細 胞 内 で 特 定 の 形 態 と 機 能 を 持 つ 構 造 で 動 物 や 植 物 のように 核 を 持 つ 生 物 である 真 核 生 物 で 発 達 する このうち 酸 素 呼 吸 の 場 である ミトコン ドリア と 光 合 成 の 場 である 葉 緑 体 は 太 古 の 単 細 胞 生 物 により 取 込 まれた 細 菌 の 末 裔 である *3 アブラムシ 半 翅 目 のアブラムシ 上 科 に 属 する 昆 虫 の 総 称 世 界 で 約 4,400 種 が 知 られており この うち250 種 ほどが 重 要 な 農 業 害 虫 針 状 の 口 吻 を 植 物 に 差 し 込 んで 師 管 液 を 吸 うが こ の 採 餌 行 動 のため 植 物 病 原 ウイルスの 最 も 主 要 な 媒 介 者 となっており 既 知 の700 種 のおよそ3 割 を 媒 介 する 幼 虫 を 産 み 出 すタイプの 単 為 生 殖 ( 雌 だけで 繁 殖 すること) を 行 う *4 遺 伝 子 生 物 の 形 や 性 質 を 規 定 する 因 子 DNA 上 の4 種 類 の 塩 基 の 配 列 により 暗 号 化 されている 大 部 分 は タンパク 質 を 合 成 するための 情 報 を 担 っている DNAの 塩 基 配 列 情 報 は メ ッセンジャーRNA(リボ 核 酸 )に 写 し 取 られ(この 過 程 を 転 写 と 呼 ぶ) リボソー ムやトランスファーRNAの 助 けを 借 りて タンパク 質 合 成 ( 翻 訳 という)に 用 いら れる このように 遺 伝 子 の 情 報 が 機 能 する 形 として 現 れることを 発 現 という *5 タンパク 質 20 種 類 のアミノ 酸 が 多 数 連 なって 構 成 される 化 合 物 用 いられるアミノ 酸 の 組 合 せや 順 序 はDNA 上 の 塩 基 配 列 に 対 応 し ほとんど 無 数 の 種 類 のタンパク 質 を 想 定 することが 出 来 る 生 物 の 重 要 な 構 成 成 分 で 個 々のタンパク 質 が それぞれ 独 自 の 機 能 を 持 つ 5
*6 ブフネラ Candidatus Buchnera aphidicola ガンマプロテオバクテリア 綱 腸 内 細 菌 目 腸 内 細 菌 科 に 属 し 大 腸 菌 などに 近 縁 な 細 菌 アブラムシの 餌 である 師 管 液 に 乏 しい 必 須 アミ ノ 酸 や 一 部 ビタミンなどの 栄 養 分 を 合 成 提 供 することで 宿 主 アブラムシの 成 育 を 支 え ている 大 腸 菌 のゲノムサイズが 約 500 万 塩 基 対 ( 遺 伝 子 数 : 約 5,000)であるのと 比 べ ブフネラのゲノムサイズは42~65 万 塩 基 対 ( 遺 伝 子 数 : 約 400~600)と 大 幅 に 小 さくなっている *7 ミトコンドリア 動 物 や 植 物 を 含 む 真 核 生 物 の 細 胞 内 で 酸 素 呼 吸 の 場 として 機 能 するオルガネラ 20 億 年 ほど 前 真 核 生 物 の 共 通 祖 先 の 単 細 胞 生 物 に 取 り 込 まれた 好 気 性 細 菌 ( 酸 素 呼 吸 を 行 う 細 菌 )に 由 来 する *8 葉 緑 体 植 物 の 細 胞 内 で 光 合 成 の 場 として 機 能 するオルガネラ 10 億 年 以 上 前 に 植 物 の 共 通 祖 先 に 取 り 込 まれたシアノバクテリア( 酸 素 発 生 型 の 光 合 成 を 行 う 細 菌 )に 由 来 する *9 多 細 胞 生 物 多 数 の 細 胞 で 構 成 されている 生 物 で 動 物 や 植 物 など 真 核 生 物 の 一 部 に 見 られる (こ れに 対 し 細 菌 など 核 を 持 たないすべての 生 物 や 真 核 生 物 の 多 くは 一 つの 細 胞 か らなる 単 細 胞 生 物 である ) 次 世 代 に 受 け 継 がれる 少 数 の 生 殖 細 胞 と 一 世 代 限 り の 存 在 である 多 数 の 体 細 胞 に 分 かれ 後 者 は 様 々な 機 能 と 性 質 を 持 つ 細 胞 に 分 化 し ている 多 細 胞 化 により 複 雑 で 高 度 な 体 制 を 取 ることが 可 能 となり また 次 世 代 に 遺 伝 情 報 を 引 き 継 ぐ 生 殖 細 胞 が 外 界 から 隔 離 されるため 他 の 生 物 種 の 遺 伝 情 報 が ゲノ ム 構 造 に 影 響 を 与 える 機 会 が 激 減 した *10 菌 細 胞 共 生 微 生 物 を 収 納 維 持 するために 分 化 した 細 胞 で さまざまな 系 統 の 昆 虫 に 見 られる 消 化 管 上 皮 の 一 部 であるもの 消 化 管 とは 独 立 に 体 腔 ( 動 物 の 体 壁 と 消 化 管 との 間 の 空 所 ) 内 に 存 在 しているものなどがあり アブラムシの 菌 細 胞 は 後 者 にあたる *11 ゲノム ある 生 物 をその 生 物 として 成 り 立 たせるために 必 要 な 遺 伝 情 報 のひと 揃 い その 本 体 は DNAであり 多 数 の 遺 伝 子 や その 働 き 方 を 決 める 配 列 などで 構 成 される *12 シグナルペプチド タンパク 質 分 子 の 輸 送 や 局 在 を 規 定 する 短 いアミノ 酸 配 列 *13 RT-PCR Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction RNAから 逆 転 写 ( 転 写 とは 反 対 にRNAからDNAを 合 成 するためこう 呼 ばれる)によりcDNA(complementary DNA. RNA と 相 補 的 なDNA)を 合 成 し これを 鋳 型 として 用 いることで 狙 った 配 列 を 増 幅 する 手 法 6
*14 発 現 ベクター 任 意 の 遺 伝 子 配 列 を 挿 入 し 大 腸 菌 や 酵 母 などの 扱 いやすい 生 物 の 細 胞 内 に 持 ち 込 んで タンパク 質 などを 合 成 させるために 使 われるDNA 遺 伝 子 の 情 報 に 基 づいてタンパク 質 などが 合 成 されることを 発 現 と 言 うため こう 呼 ばれる *15 Hisタグ アミノ 酸 の 一 種 ヒスチジン が 数 個 連 なったもの 銅 ニッケル 亜 鉛 コバルトな どの 金 属 に 結 合 する 性 質 を 持 つので 発 現 させるタンパク 質 の 末 端 に 付 加 しておき ニ ッケルカラムなどにより そのタンパク 質 を 精 製 するのに 用 いられる *16 電 気 泳 動 溶 液 に 電 場 を 加 えた 際 に 電 荷 を 持 った 物 質 が 一 方 の 極 に 向 かって 移 動 する 現 象 DNA やタンパク 質 の 分 離 にさかんに 用 いられる *17 抗 体 脊 椎 動 物 ( 我 々ヒトを 含 む 背 骨 を 持 つ 生 物 )の 免 疫 反 応 で 主 に 外 部 から 侵 入 した 物 質 である 抗 原 と 特 異 的 に 結 合 するタンパク 質 分 子 生 物 学 では この 結 合 特 異 性 を 利 用 して 特 定 の 物 質 の 存 否 や 局 在 を 調 べるのに 用 いられる *18 イムノブロット ウェスタンブロット タンパク 質 試 料 を 電 気 泳 動 で 分 離 したのち 膜 に 写 し 取 り 特 定 の タンパク 質 の 存 在 を そのタンパク 質 に 対 する 抗 体 を 使 って 検 出 する 手 法 *19 免 疫 組 織 化 学 組 織 や 細 胞 に 存 在 する 特 定 の 抗 原 を 抗 体 を 用 いて 可 視 化 する 手 法 組 織 標 本 上 のタン パク 質 などの 存 否 や 局 在 を 直 接 顕 微 鏡 下 で 確 認 できる *20 胚 多 細 胞 生 物 の 個 体 発 生 における 初 期 段 階 の 個 体 その 定 義 は 様 々だが 動 物 ではおおむ ね 卵 割 のはじめから 摂 食 可 能 な 幼 生 の 直 前 までを 指 す 胎 生 単 為 生 殖 を 行 うアブラムシ の 体 内 では 同 時 に 多 数 の 胚 が 育 つ *21 共 焦 点 レーザー 顕 微 鏡 レーザービームを 標 本 に 照 射 し 焦 点 の 合 っている 位 置 から 発 せられる 蛍 光 のみを 検 出 することで 高 い 解 像 度 と 三 次 元 情 報 の 再 構 築 を 実 現 する 顕 微 鏡 *22 免 疫 電 顕 免 疫 組 織 化 学 のうち とくに 電 子 顕 微 鏡 を 用 いて 行 う 手 法 を 指 す 7