ミドリゾウリムシでは受精核から次世代の大核が分化する际に细胞内共生藻の维持に関连する遗伝子をもつミニクロモソームが选択的に増幅されることが明らかになりました
山口大学共同獣医学部の藤島政博教授（特命）と台湾のJun-Yi Leu博士（Academia Sinica, Institute of Molecular Biology）らの研究グループは、4株のミドリゾウリムシ（Paramecium bursaria）（図1）の大核ゲノムの全塩基配列を解読し、ゲノムの特徴を明らかにしました。4株のうちの3株は野外採集されてから山口大学で30年以上培養している株でした。 株Dd1gのゲノム全体のサイズは26.8 Mb、GC%は28.8、遺伝子数は15,101個でした。この内、他種のゾウリムシ（ゾウリムシとヨツヒメゾウリムシ）に存在しない遺伝子数は3,773でした（図2）。
受精核から新大核が分化する过程で作製される断片化されたゲノム（ミニクロモソーム）の长さは8～16办产でしたが、ヨツヒメゾウリムシではミニクロモソームのコピー数がほぼ均一であるのに、ミドリゾウリムシでは不均一でした。交雑して作製した若いミドリゾウリムシでも同様でしたので、コピー数の不均一性は老化による损伤ではなく、长期间细胞分裂を繰り返しても安定して维持される不可逆的な现象でした。エネルギー代谢や基本的な细胞机能の维持に必要なハウスキーピング遗伝子のコピー数は一定でしたが、环境适応に関与する遗伝子のコピー数は着しく多様であったため、ミニクロモソームのコピー数の不均一性は、ミドリゾウリムシ特有の机能と関係した现象であることが示唆されました。遗伝子のコピー数を他种ゾウリムシと比较したところ、6种の遗伝子のコピー数がミドリゾウリムシで増大していました。これらには、细胞内共生に関係する细胞内输送と活性酸素无毒化机能を持つタンパク质遗伝子、根粒细菌の共生に関与する遗伝子、细胞表层タンパク质とタンパク质リン酸化酵素遗伝子が含まれていました。
藤島教授（特命）らは2014年に共生藻の有無で発現が変化するミドリゾウリムシの遺伝子を特定しましたが（BMC Genomics, 2014, Doi: 10.1186/1471-2164-15-183）、今回の研究では、細胞内共生の維持に必要な遺伝子の発現量の変化だけでなく、特定遺伝子を含むミニクロモソームのコピー数を選択的に増加させる仕組みの存在が明らかになりました。この研究成果は、細胞内共生による真核細胞の進化と生物多様性の創出の仕組みの解明だけでなく、生物が環境に適応して進化するためのゲノムの可塑性を生み出す仕組みの解明にも貢献すると期待されます。
山口大学共同獣医学部の狈叠搁笔ゾウリムシ研究室では世界最大级のゾウリムシ种数と株数（24种、约1050株）を维持し、国内外の研究者に提供しています（）。今回の研究では、その株が用いられました。
本研究成果は、2020年11月30日に、英国のオンライン科学誌BMC Biologyに掲載されました。
図1．ミドリゾウリムシ（Paramecium bursaria）の微分干渉顕微鏡写真
细胞质に緑色の多数のクロレラが细胞内共生している。各クロレラは个别に宿主の食胞膜由来の膜小胞で包まれ、その膜が宿主细胞表层直下のミトコンドリアの外膜と结合することで细胞に固定されている。细胞の中心には大核が存在している（写真撮影：藤岛政博教授（特命））。
図2．3种のゾウリムシの相同遗伝子数の比较
異なる色の数字は種ごとの遺伝子数を示す。ヨツヒメゾウリムシの遺伝子数は他の2種より多い。ミドリゾウリムシの総遺伝子数15,101 の75%は、他の種にも存在し、ミドリゾウリムシ特異的遺伝子数は3,773。
発表のポイント
- ミドリゾウリムシの大核ゲノムを4种の株で解読し、ゲノムサイズ、骋颁%、全遗伝子数、ミドリゾウリムシ特有の遗伝子数、受精核から新大核の分化过程で作製されるミニクロモソームのサイズとそのコピー数が明らかにされました。
- ヨツヒメゾウリムシでは大核内のミニクロモソームのコピー数はその长さに関係なくほぼ均一でしたが、ミドリゾウリムシのミニクロモソームのコピー数は多様で不均一でした。また、コピー数の不均一性は、若い细胞と30年以上の老化した细胞とで差がなく、老化の影响を受けない不可逆的な现象であることが明らかになりました。
- ミドリゾウリムシはクロレラ等の藻类を细胞内に共生させる能力を持ちます。クロレラの维持には宿主リソソーム融合阻止能力を持つクロレラ包膜の形成と宿主细胞表层直下へのクロレラの移动、クロレラによって产生される活性酸素の无毒化が必要です。それらの机能に関係する宿主遗伝子の発现量がクロレラの有无で変动することは2014年に山口大学の藤岛教授（特命）らがトランスクリプトーム解析で明らかにしました。今回の研究では、受精核から大核が分化する时にゲノムの断片化で作られるミニクロモソームのコピー数が、细胞内共生の维持に関与する遗伝子を持つミニクロモソームでは高いことが明らかになりました。
- 藻类との细胞内共生能力の获得と密接に関连して生じるゲノムの可塑性が初めて示されました。
研究论文
- タイトル：Genome plasticity in Paramecium bursaria revealed by population genomics.
- 著者：Yu-Hsuan Cheng, Chien-Fu Jeff Liu, Yen-Hsin Yu, Yu-Ting Jhou, Masahiro Fujishima, Isheng Jason Tsai, Jun-Yi Leu.
- 公表雑誌：BMC Biology
- 公表日：2020年11月30日（オンライン公开）