植物生化学　第１０回講義

オルガネラ間のクロストーク

今回の講義では、研究内容の紹介を中心にオルガネラ間のクロストークについて解説しました。今回の講義に寄せられた意見とそれに対するコメントを以下に示します。

Ｑ：今回の講義ではAOXが過剰光エネルギーの散逸に重要な役割を果たしていることが紹介されていた。AOXはミトコンドリアに存在しており、葉緑体から輸送されてきた過剰な還元力を散逸させる。しかし、光エネルギーが過剰ではない時にも機能してしまうとATPの生産量が減少して大きな損失となってしまう。AOXはシステイン残基が酸化状態になると不活性、還元状態になると活性状態になることが知られており、チオレドキシンを介して酸化還元制御を受けていることが分かっている。AOXは過剰な還元力が発生したときに活性化するような制御を受けていると考えられる。ここではどのように過剰な還元力が発生したという情報が伝達されAOXの活性化が起きるのか考えてみる。もっともありえそうな伝達経路は葉緑体から核、核での遺伝子発現調節によりAOXが活性化という経路だろう。葉緑体から核への情報伝達については今までにクロロフィル中間体、光化学系で発生する活性酸素、プラストキノンのレドックス状態が知られている。おそらくこれらのうちどれか、あるいは複数が関わっているのかもしれない。核へ伝達された後は遺伝子発現調節を通してチオレドキシン量を増加させるなどの方法が考えられる。もしかしたらミトコンドリアの遺伝子発現調節があるかもしれない。

Ａ：そのような情報伝達経路が可能性として高いと思いますが、核コードの呼吸鎖酵素やミトコンドリアのチオレドキシン系のタンパク質や酵素の、葉緑体からの情報による遺伝子発現のしくみはよく分かっていません。動物細胞よりも複雑で面白そうなところです。おそらく活性酸素とプラストキノンのレドックス状態が重要だと思います。

Ｑ：シアン耐性呼吸経路が優位になれば，エネルギー生産効率が低下する.このことが起こる理由について考察する.まず, シアン耐性呼吸経路では，プロトンの輸送にUCPが使用されることが原因とする見地から.呼吸鎖の複合体ⅠとⅢは超複合体を形成している．もしかすると，これと同じようにシアン耐性呼吸に関わるND，AOX，UCPが集合しており，NADHをNDが酸化することで，局所的にこれらのタンパク質周りで陽イオンが増えるので，最も近いUCPを利用して電荷を釣り合わせているのかもしれない．次に，単純に電子伝達の効率が低下するためであるという見地から．NADHがミトコンドリア内で大量に生じたとき，複合体Ⅰで処理しきれない分のNADHがNDで酸化される．このため，複合体Ⅰには最大量のNADHが酸化されているが，ATP合成経路の電子伝達がユビキノンでシアン耐性呼吸経路の電子伝達が競合して，電子伝達の効率が低下し，ATP合成が効率よく進まなくなると考えることができる．

Ａ：講義中にはうまく説明できなかったのかもしれませんが、シアン耐性経路とはAOXそのものを指します。AOXはユビキノールから電子を受け取り、酸素に渡します。一方、UCPは内膜と外膜の間に蓄積したプロトンをマトリックス側に輸送する活性を示します。ですから、AOXとUCPは独立して働きます。NDとUCPとが一緒に働くかどうかはよく分かっていません。外側を向いているNDB2とAOXは共発現することが知られていますが、これらも物理的に近い距離にあるかどうかも不明です。NADHが大量に生じたときに、ATP合成の効率が下がることは報告されています。

Ｑ：動物の呼吸鎖にNDとAOXによるエネルギー消費系が存在しない(必要ない)理由を考えてみる。植物の場合、ND-AOX経路は過剰な光エネルギーの発散システムとして使用されていた。しかし、動物の場合、
　①基礎代謝量が植物より大きく、また運動によるエネルギー消費があるために、植物よりエネルギー消費が多く、エネルギー消費系を必要としない。
　②エネルギー摂取が食物を介してのゆっくりとした反応で起き、光エネルギーのように短時間に強烈なエネルギーを受け取ることがない。また、体内にため込むエネルギー量を摂取食物の量により調節できる。
といった理由でND-AOXによるエネルギー消費系は必要ないと考えられる。これらの仮説のどちらが確からしいか検証するには、ユーグレナ藻類のうち、光合成を行って生活するものと、光合成をおこなわず食作用で生活するもの呼吸鎖を比較し、ND-AOX経路の分布を調べればよいと思われる。ユーグレナ藻類は運動を行うので、細胞当たりのエネルギー消費量は高等植物より多いはずである。従って、光合成を行うものも行わないものもND-AOX経路を持たなければ、①の理由で、光合成を行うものはND-AOX経路をもつが、行わないものはND-AOX経路を持たないということになれば②の理由で、動物はND-AOX経路を持たないと言えると思われる。

Ａ：ユーグレナ藻類のAOXやNDのことは興味深いですが、従属栄養条件で育つEuglena gracilisや高等植物では光の当たらない根でもAOXは発現します。根の細胞でのAOXの役割として、細胞内のNAD(H)やATPのバランス調節、ストレス時のミトコンドリアからの活性酸素発生の回避に働いていると考えられていますが、よく分かっていません。成長速度の速い植物種ほど、AOXの活性が高いという報告があります。AOXは葉で多く発現しますが、必ずしもAOXがいつも光阻害回避に働いているというわけではないです。

Ｑ：光化学系で生じた還元力つまりＮＡＤ(P)Ｈの使い道にはいくつかある。ミトコンドリアのシトクロム経路でＡＴＰを作りつつH2Oになる。AOXでH2Oになる。葉緑体でCO2を固定して炭水化物になる。硝酸亜硝酸をアンモニアに還元する。AOX以外の使い道のほうが明らかに有利であるにもかかわらず、それらを使用せずに還元力が過剰になることはあるのか？急に還元力が過剰になったときなどのためにある程度は還元力を散逸させる用意に必要なのかもしれない。弱光条件下で、AOX阻害剤があるときは酸素発生速度が半分になるのに、シトクロム経路阻害剤があるときは酸素発生速度が変わらないことについて考えてみたい。シトクロム阻害剤があるとき、それまで不活性型であったAOXが活性化するため、シトクロム経路分の還元力をAOXは吸収できる。AOX阻害剤を加えた場合、弱光下でも光化学系が還元状態であることが他の実験で示されている。ということは、すでに弱光下の時点でAOXは働いているということだ。あきらかに還元力はシトクロム経路やカルビンベンソン回路で消費しきれるにもかかわらず、なぜここでも働いているのだろうか。おそらく酸素発生速度つまり光強度は、シトクロム経路で消費される還元力の量の限界を決定しているのだろう。AOXが阻害されればシトクロム経路での還元力消費量を超え、還元力がたまり、酸素の発生速度が弱まる。生物学的な意味は良くわからないが、シトクロム経路に使い過ぎないようにではないだろうか。還元力はCO2を固定して夜に備える、他の細胞に送る、体を構成する、などの役割にも使わないといけないから。

Ａ：弱い光の下にある葉のAOX阻害剤の結果の解釈はまだ不明です。ただし、葉緑体電子伝達系のうちの光化学系I循環的電子伝達系も、弱い光の下では必要ないと考えがちですが、光化学系I循環的電子伝達系の突然変異株は弱い光の下でも成長は抑制されます。光が当たった直後にカルビン回路がまだ誘導されないときや、NAD(P)HとATPの微妙なバランスをとるのに必要なのでしょうか？興味深いところです。

Ｑ：授業の中で、葉緑体の遺伝子が一部核ゲノムに移行しているという話があった。下等な植物の方が葉緑体DNAに残っている遺伝子が多いため、一度核ゲノムに葉緑体遺伝子のコピーができ、核ゲノムから発現して機能するようになると、葉緑体ゲノムからはその遺伝子がなくなっていくのではないかという話だったと思う。それはわかるのだが、それならばどうして核ゲノムから葉緑体ゲノムへの遺伝子の移行は起こらないのだろうか。そもそも最初に共生をするようになった時点で、取り込んだ方の細胞が取り込まれた方の細胞を一方的に支配するようになったのだろうか。細胞内一次共生であれば、葉緑体となったシアノバクテリアは原核生物であるので、核ゲノムから真核生物の遺伝子がコピーされて葉緑体ゲノムに入り込むようなことがあっても、葉緑体側の転写翻訳機構ではうまく発現させられないかもしれない。それでも、そうやって核の遺伝子が入り込んだ形跡や、もともと核が持っていた細胞の生存に関わらない遺伝子や意味のない配列などが、葉緑体ゲノムの中にあってもおかしくないのではないか。また、二次共生の場合は真核生物が真核生物を取り込んだ形なので、取り込んだ方と取り込まれた方のどちらが支配側になってもよいように思われる。それなのに取り込まれた方の細胞だけが退化していき、核も萎縮してヌクレオモルフとして残っているにすぎない。どこかにこの関係が逆転した生物は存在しないのだろうか。なんだか疑問ばかりになってしまったのですが、解決する方法が思いつきません…。

Ａ：植物細胞では核とミトコンドリア、葉緑体間でDNA配列の移動が起こっているといわれてますが、確かに核もしくはミトコンドリアから葉緑体への移動は知られていないようです（葉緑体からミトコンドリアの移動は起こっている）。これがなぜかは不明なのですが、葉緑体DNAから核DNAの移動は従来考えていたよりも、より頻繁に起こっていたようです（蛋白質核酸酵素別冊　二層膜オルガネラの遺伝学　2005年　共立出版　などを参考にしました）。

Ｑ：生体観察でももっとも確認しやすい葉緑体は、光合成生物にみられる細胞小器官であり、プラスチドのひとつである。約150 kbp の環状 DNA ゲノムを持ち、その内に約80種の蛋白質コード遺伝子がある。葉緑体はシアノバクテリアが細胞内共生して生じたという説が有力視されているため、そのゲノムの遺伝子発現系は原核型と考えられていた。しかし、それらの遺伝子は２種の RNA ポリメラーゼによって転写され、その前駆体 mRNA は RNA エディティング、RNA スプライシングや RNA 切断など複雑な過程を経て成熟 mRNA となって翻訳され、遺伝子発現の制御は主として翻訳段階など転写以降の過程で行われることが明らかとなっている。私は遺伝子解析によるところの大きい現在の生物学的探求に、葉緑体ゲノムを使用すればまた新たな視野が広がるのではないかと思った。葉緑体ゲノムは細胞当たり１万コピーにもなるので、外来遺伝子を導入してその産物を多量に生産することが可能である。既に研究を進めている名古屋大学の研究室によると、核ゲノムの数百倍になる例もあるようだ。さらに、多くの植物では葉緑体ゲノムは母性遺伝するため花粉に入らず組換え体の環境安全性が高い。しかし葉緑体内での外来遺伝子の発現は翻訳の段階でとまってしまうことが非常に多いようなので、以後はこの問題点の解決策を考えていきたい。

Ａ：ご指摘のように葉緑体DNAを利用した外来遺伝子産物の生産は注目されています。バイオエタノール生産、宿主植物自身のストレス耐性強化、医薬品などの生産などの目的で形質転換植物が作出され、近い将来利用される可能性もあります。バイオエタノール生産を目的とした形質転換植物は、われわれが直接口に入れるダイズやトウモロコシなどの形質転換作物よりも、社会的に受け入れられやすいのではないかと考えられています。