シアノバクテリアの走光性の分子機構の解明を目指して

吉原静恵(PD、現 大阪府大・助手)

 多くのシアノバクテリアは光合成に適した環境へ移動することによって、変動する光環境に適応しています。主に、固体表面上を滑って移動する「滑走運動」によって運動しますが、ある一部のシアノバクテリアについては液体中を「泳ぐ」ものが知られています。また、光の方向を感じて光源へ向かう正の走光性、又は遠ざかる負の走光性

このように、シアノバクテリアが光に応答した運動性を示すことは100年以上昔から知られていましたが、走光性に関わる光受容体運動機構シグナル伝達経路などの分子機構はほとんど明らかにされていませんでした。

 1996年に単細胞性のシアノバクテリアSynechocystis sp. PCC 6803の全ゲノム情報がシアノバクテリアとして初めて決定されました。ゲノム情報を得たことによって、シアノバクテリアが示す様々な現象のメカニズムを遺伝子レベルで検証し、説明することが容易になりました。そこで、私はSynechocystisの運動機構、運動性を調節する光への応答機構の解明を目指してきました。

              メ白色光メ

図 1 Synechocystis sp. PCC 6803の走光性

一方向から光を照射すると、光源へ向かう正の走光性(左)または遠ざかる負の走光性(右)を示します。スケールバー、5 mm


1) 運動機構

1-1. 運動性に必須な遺伝子

 Synechocystisのゲノムには、線毛の形成に必要な遺伝子に相同性を示す遺伝子が複数存在しています(表1)。

これらの遺伝子の運動性への関与を調べるために、遺伝子破壊株を作成しました。その結果、赤字の遺伝子破壊株は運動能を失うことが分かりました。

1-2. 線毛

A. 野生株の細胞表層

運動性を示す野生株の細胞表層には、太い線毛(赤矢印)細い線毛(青矢印)が見られます。

スケールバー, 500 nm

B. 非運動性破壊株の細胞表層

 運動性を失った遺伝子破壊株は太い線毛を完全に失っており、細い線毛だけを保持していました。ほとんどの細い線毛は束を形成しているため太く見えます。

これらの解析から、Synechocystisの運動には太い線毛がかかわることが明らかになりました。

また、Synechocystisは、自発的に細胞外のDNAを取り込んで、形質転換します。運動性と太い線毛の形成に必須な上記の遺伝子の破壊株は、形質転換能も失っていました(表1)。これらの結果から、太い線毛はSynechocystisの運動性と形質転換の両機能に必要であることが分かりました。

文献:Yoshihara et al. (2001) Plant and Cell Physiology, vol. 42, 63-73.


2) 線毛形成の調節にかかわる遺伝子クラスター

図 3. slr1041クラスター(pilGHIJクラスター)とslr0073 (pilL-N)、slr0322 (pilL-C)
 クラスターを形成しているslr1041-1044の破壊株について、運動性、太い線毛の形成、形質転換能に影響が見られました(図 3, 表 2)。これらの遺伝子は、2成分制御系のシグナル伝達因子であるResponse regulator (PatA, CheY)、 受容体MCP、Histidine kinase (CheA)などに相同性を示すので、運動と形質転換に関わる太い線毛の形成調節に関与すると考えられます。さらに、cheA様遺伝子は、slr0073 (N末端側)とslr0322 (C末端側)に分断し、ゲノム上でslr1041クラスターから離れて存在していました(図 3)。しかし、両遺伝子とも破壊株は表現型に影響が現れることから、別々に発現したタンパク質が1つのタンパク質として機能的にはたらいていると考えられます。
これらの遺伝子を線毛(pili)の形成調節に関わるpilGpilHpilIpilJpilL-NpilL-Cと命名しました。

文献:Yoshihara et al. (2002) Plant and Cell Physiology, vol. 43, 513-521.


3) 正の走光性の調節にかかわる遺伝子クラスター

図 4. sll0038 (pixG)クラスター破壊株の走光性
sll0038、-0039、-0041、-0042、-0043破壊株は正の走光性の能力を失いました。
また、これらの遺伝子はCheAやCheYなどのシグナル伝達因子に相同性を示すことから、正の走光性の調節系を構成すると考えられます。正の走光性(positive phototaxis)から、pixG, -H, -I, -J1, -J2, -Lと命名しました。
しかし、破壊株は負の走光性の能力を保持していることから、負の走光性には異なるシグナル伝達因子が関わると考えられます。

図 5. PixJ1のドメイン構造
MCPに相同性を示すPixJ1は2つのGAFドメインをもつ。
GAFドメインは、植物の光受容体として知られるフィトクロムの色素結合領域にも保存されていることから、PixJ1が光受容体であると考えられます。

文献:Yoshihara et al. (2000) Plant and Cell Physiology, vol. 41, 1299-1304.