代謝生物学 第５回講義
過剰な光からの防御
第５回は活性酸素消去系、ステート変化、サイクリック電子伝達などの説明をしたあと、葉緑体の定位運動の話と、シアノバクテリアの光化学系量比調節の話をしました。共通点は、過剰な光からの防御機構として役立っている点です。葉緑体移動に関する話題は、基生研で和田正三さんのもとでお仕事をなさっていて、現在筑波大に移られた加川貴俊さんのお仕事です。シアノバクテリアの変異株（pmgA変異株）の仕事は、埼玉大学の日原由香子さんとの共同研究です。
Ｑ：実験室で培養しているうちに、野生株が野生株でなくなってしまった場合、実験で使う野生株はどこからもってくるのですか？同じゲノムの株を他の研究室から買うのでしょうか？株を安定に保つ方法を考えたのですが、実験室内や培養庫に入っていても、あるいは自然状態にあっても、生物の状態で存在させる限り、置かれた環境に応じた方向へゲノムは変化するので、方法はないと思いました。ただ、自然状態の光の変化を再現できるような培養庫にいれておけば、少なくとも光に対する応答は保たれるのではないでしょうか。お金が必要そうですが。
Ａ：そもそも、「野生株」というただ１つの株が存在するわけではありません。ですから、研究室ごとに野生株が異なっている、という可能性は充分にあります。特定の株を指定したい場合は、ストックセンターなどからもらうことになります。
Ｑ：今回の冒頭で活性酸素消去系は、現在では余った光エネルギーの消費のために自発的に活性酸素を作り、それを無害な水に変えるための系であるというのが意外でした。わざわざ有害物質をつくるんじゃなく別の無害な物質を作れば良いと思うのですが、やはり化学エネルギーに変換されないままの光エネルギーでは活性酸素を作る以外には使えないということでしょうか。あと、葉緑体の定位運動のところで、暗所では葉緑体はCO２の一番多い縁の部分に集まるとありましたが、光合成の限定要因はここではCO2でなく光強度のはずですし、第一暗所では光合成ができずCO2は不要のように思われてます。なぜでしょうか?
Ａ：活性酸素については、むしろ有害物質の処理の系を余った光エネルギーの消費の系に転用した、ということではないでしょうか。定位運動の話では、「暗所では」ではなく、「暗所でも」です。葉緑体は光によって動きますが、明暗にかかわらず細胞壁の近くに位置しています。
Ｑ：今回の授業で、シロイヌナズナの話が出てきたのですが、自分が先日までシロイヌナズナを使って実験をやっていたため、とても興味深く聞かせていただきました。自分が使っていた遺伝子は頂端分裂組織に関するものでしたが、光受容に関する話を聴いて、そちらの方にも興味を持ちました。それに関する遺伝子を扱ってみたいと思いました。また、変異株の話も、周りでその実験をしている人がいるので、興味深く聞かせていただきました。
光エネルギーに関するβーカロチンの話や活性酸素の話は自分の知っていることも出てきていたので、復習のつもりで聞かせていただきました。でも、所々、自分のまだ知らない事が出てきて、自分の勉強不足を実感しました。
Ａ：植物の研究の上で、シロイヌナズナはなくてはならない状態になっていますね。ゲノムが決まっているというのが大きいでしょう。
Ｑ：今回の授業では、シアノバクテリアの研究室内での進化の話が面白かったです。研究室でコンタミを防ぐために、−glucoseで強光下で育てると、その環境に適応した変異株が生まれ、野生株を駆逐してしまったというのは、細菌など特に生育が良いものの、同一の株を維持することの難しさを感じました。野生株は変動する自然環境の中で上手く生育できるように環境応答の能力を持っていたというのは、やはり、シアノバクテリアが光合成を行うことに関係しているのでしょうか？大腸菌などでは環境応答の話を聞いたことがないので、そう思いました。
Ａ：大腸菌などでも環境応答はありますよ。一番簡単な例は抗生物質耐性です。抗生物質にさらされ続けると耐性を持つ株が優占しますよね。これも一種の環境応答です。
Ｑ：過剰な光に対する長期応答の一つとして、光化学系I（PSI）の発現量の低下が挙げられていた。PSIの発現量は、具体的にはどのような状態を検知することで制御されているのだろうか。PSIとPSIIのバランスの崩れを検知しているのかもしれないが、遺伝子発現制御とどのように結びついているのか疑問に思った。pmgA変異株において強光下でもPSIが減少しないことと何らかの関係があるのだろうか。また、光質の変化によりPSIが励起されやすくなった場合（他の植物個体の影に入った場合）にもPSIがPSIIに対して相対的に減少するとされるが、この場合の制御も強光に対する順化と同じ制御が行われていると考えてよいのだろうか。
Ａ：光条件からのシグナル伝達の経路は、まさに今研究がなされているところで、現時点ではまだ不明です。ただ、PS１のサブユニットについては転写レベルで調節されていることは明らかになっています。光質の変化の場合に、強光と同じなのか、違うのか、という面もまだ完全には解明されていません。
Ｑ：強光による光合成阻害なんていう事実を、講義において驚きとともに聞かせていただきました。強光時、アンテナ葉緑素を減少させられない変異体にとって、過剰な光合成電子伝達により活性酸素が発生して生育阻害をおこす原因となり、長期的強光耐性は野生タイプの方が勝ります。生物学は専門外である私にとっては、強光という定義や、変異体と野生体にどの程度の生育差異が生じるのか、などといったことは全く予想がつかないが、地球誕生からの驚異的な寒暖差、現在の環境問題に絡んで日光量の差が生物界に及ぼしてきた、今後も及ぼし続けるであろう影響の大きさを感じました。 太陽からの恵み・光と光合成に着眼した講義、前回・今回と（かなり難しく理解不足ではありますが）面白いと思いました。
Ａ：今回は、実験のデータがだいぶ入ったので、実験の解釈になれていないと難しかったかも知れませんね。
Ｑ：まず、今回の活性酸素消去系の話は、特に紫外線によるものというわけではないのでしょうか。頭の中で光回復の話などと混じってしまっている部分もある気がしますがよくわからなくなってしまったので。それに関連して、他の障害誘導反応や防御反応についても聞きたいです。野性株と異なる形質をもつ変異株が研究室の培養環境に適応して野性株を駆逐するような場合、変異株は外界の環境に適応できる可能性は低いものの、その株を外界に出さないようにすることは当たり前ですが大切なことだと思いました。
Ａ：もちろん紫外線も阻害を引き起こしますが、光合成系の場合は、可視光も色素によって吸収されるため、阻害の大きな原因になるわけです。紫外線の場合は、なくせば阻害を回避できますが、可視光の場合は光合成に必要なので、可視光をなくすわけにはいかず、可視光の強さに応じた制御系が必要となるわけです。
Ｑ：「シアノバクテリアの実験室進化」の話に興味を持ちました。四点疑問があります。一つ目は、pmgAに点突然変異が入ることによって実験室環境に適応した突然変異株が生じ、研究室の保有する株の中で優勢になったということですが、その突然変異に対するサプレッサーは取られているのでしょうか。二つ目に、そもそも、pmgAは何をコードしているのでしょうか。図からはORFであるように見えますが、タンパク質をコードしているのであれば、点突然変異はタンパク質の立体構造にどのような影響を及ぼし、光合成速度制御が効かなくなっているのか興味があります。また、三つ目は、６ページの４枚目のスライドでまとめられているのは、観測された現象のみで、なぜ光合成活性を強光下で抑えることが重要なのかとの関係が私には見えませんでした。確かに活性酸素を産生することも系Iの重要な機能であることを考えれば、バランスを崩してしまった系Iが抑えられるべきものということも理解できるのですが、この説明がシアノバクテリアにも適用されるのかどうかわかりません。最後に、最後のスライドで、「スーパー変異株を作ることができる場合もある。」とありますが、授業の例は意図的でないだけで、農業でいえば育種による品種改良に他ならず、あまり特殊な状況ではないのではないか、と思いました。実際、ダーウィンの「種の起原」の第１章は、人為淘汰について論じられていたと思うのですが。
Ａ：１．pmgAのサプレッサーはいくつか取られてはいますが、そのメカニズムは不明のままです。２．ｐｍｇＡはタンパク質だと思われますが、機能は不明です。変異により、アミノ酸が１残基変化しますが、フェニルアラニンとロイシンの間の変化で、立体構造が変化するようにはどうも思われません。３．系Ｉが多いままだとなぜいけないかについても不明のままです。活性酸素が関わっている可能性は強いと思いますが、証明されているわけではありません。４．僕が言いたかったのは、育種により「よりよい品種ができた」という場合でも、それは、その作物を一定の条件で生育させている場合に「よりよい」だけで、もし、自然環境で雑草に混じって生育する場合に、適応度が高いかどうかは疑問だ、ということなのです。例えば、レタスはもともと光発芽種子ですが、一部の品種では、育種によって暗所でも発芽するようになっています。これは、人間が管理して播種している条件ではプラスに働きますが、おそらく自然環境下では光合成できないような光条件でも発芽してしまい、返ってマイナスになるかも知れません。つまり、自然から見ると、農業という人間が関与する環境自体が「特殊な状況」である、という認識です。
Ｑ：今回の授業では葉緑体運動についていろいろ疑問がありました。葉緑体の運動はフォトトロピンで決まっているという話がありました。映像では光を葉緑体のない部分に当てたときに周りから葉緑体が集まってきましたが、これを見ると、葉緑体自体に光に光が当たっているわけではないので、葉緑体自体が光に反応して運動しているというよりは、光の当たった細胞質部分から何らかのシグナルが発せられて葉緑体が集まってくるように見えました。もしそうだとすると、葉緑体の運動というのもあるのでしょうが、細胞全体の反応で葉緑体を運動させていることになるのでしょうか？そういうメカニズムがあるのでしょうか？
２つ目はホウライシダとシロイヌナズナの違いについて。ホウライシダでは赤色光にも青色光にも葉緑体の運動が誘導されていましたが、シロイヌナズナでは青色光によってだけフォトトロピンで誘導されるようでした。少し調べてみたら、シダのほうには授業でも触れられたフィトクローム３があるから赤色光に反応できるということのようでした。別々の光受容体がひとつながりで働いているようでちょっと不思議な感じです。また、シダがこのフィトクローム３を持っているというのは暗い環境下で生活しているためにエネルギーの小さい光でも反応しようという「進化」と見ていいのでしょうか？それとも高等植物に進化する途中でなくなってしまったのでしょうか？
３つ目は葉緑体の光エネルギーの短期的消去法について。わざわざ活性酸素を作り出してまで余計な還元力をなくしていましたが、ということは、光が当たると必ず光化学系は反応するようにできているのでしょうか？たとえば、ＡＴＰ比を調整する必要のないときには、反応中心にだけ特異的に結合してコンフォメーションを変化させて反応中心を不活性化する因子を作ったりするほうが進化する上で簡単だったような気がするのですが．．．？
遺伝学の話は「進化（適応）」をリアルタイムで感じられて面白かったです。やっぱり野生株は適者、光合成も「継続は力なり」ですね．．．。
Ａ：１つ目ですが、その通りだと思います。光が当たらなかった葉緑体が動くわけですから、単一の葉緑体だけを考えても移動のメカニズムはわかりません。この辺のメカニズムはまだ研究途上です。
２つ目のシダとシロイヌナズナの違いは、僕にもわかりません。シダの方が暗い環境下で生育していることは確かだと思いますが、それが原因でシグナル伝達系が異なる、ということはないような気がします。もっと別の植物での研究例が増えないことには何とも言えないのではないでしょうか。
３番目のエネルギー消去ですが、反応中心だけを不活性化しても、アンテナが光を吸収してしまえば、その分のエネルギーを何とかしなくてはなりません。一部はキサントフィルサイクルなどで熱にできても、全てを熱にできるわけではありません。そこで、活性酸素を使うなどの方法が必要となるわけです。
Ｑ：今回は実験室内での進化の話が個人的には面白かったです。いつもの実験では突然変異を人為的に起こしているので、実験室内で自然発生的に起こる突然変異を観察するのは新鮮な感じがしました。実験室ごとに栽培条件等を変えることができるので無限の環境下で生物の進化が観察でき、また変動する自然環境とは異なり一定の環境を作り出せる実験室では変異株が自然環境では必要な環境応答（遺伝子の活性化）の必要が必ずしもなく、その結果自然環境よりも実験室では変異株がより多く生き残るという点でこのような実験はぜひやってみたいなと思いました。過去の環境に似た実験系で進化の実験をすることで過去の生物の進化のヒントを得られるかもしれませんし、おもしろそうです。
あとこれに関して質問があるんですが、偏った実験系における進化の実験は実際にやらないでも、コンピューターがシュミレーションをして結果を教えてくれたりはしないんですか？現在そのようなことは行われているのかどうかと、行われていたらそのシミュレーションの正確さ（信憑性）がどの程度のものなのかの二点について、もしわかればお願いします。
Ａ：コンピューターのシミュレーションに関しては条件さえ設定すれば実験の状況を再現することは可能だと思います。しかし、それはあくまでやった実験の再現をコンピューター上でやるというだけで、実験をしなくてよい、というわけにはいきません。もちろん、パラメーターを別の実験から推定してシミュレーションをすることはできますが、結局それが正しいかどうかは、実験で確かめるしかないような気がします。
Ｑ：前回、キサントフィルなどが集めすぎた光エネルギーを安全に熱放散する役割を学びましたが、今回のSODとAPXによる活性酸素の消去機構も興味深いものでした。SODがこの系の律速であることからこれを強化したストレス耐性植物が注目されていますが、これらの植物に何か問題はないのでしょうか。また、より強い光を受けるC4植物、CAM植物などでは活性酸素消去系に何か特徴があるのでしょうか。
Ａ：活性酸素消去系の酵素を増大させた植物の場合、予想されるデメリットは「余計なタンパク質を作るのにエネルギーがいる」ということが主だと思いますから、人間が肥料などをやる環境では問題ないでしょうね。Ｃ４植物については、特に活性酸素消去系に特徴といえるほどのものはなかった気がします。
Ｑ：シロイヌナズナにおいては、不均一な成長に起因する光屈性は青色光photo1
photo2 double mutant では見られないということだったが、マイヅルテンナンショウのように、成長によらず(?）光に応じて葉の角度が変わるのも同様に青色光受容体などにより制御されているのだろうか。
また、細胞内における細胞小器官の位置を決めている微小管に関連があるのではないかと思ったが、葉緑体の移動にはアクチン繊維がかかわっているらしい。青色光受容により細胞内に極性が生じて葉緑体の移動が起こるということなのだろうか。シグナル伝達の下流ではいくつもの反応が起きているのだと思うが、一番初めのところでは、Photo1、Photo2の２種の受容体の組み合わせにより強光下、弱光下、暗所に対応した葉緑体移動が起きているということが、とてもシンプルでよいと思った。
Ａ：マイヅルテンナンショウはどうだか知りませんが、一般的に毎日葉の角度を変えるようなタイプの運動は、膨圧による運動ではないかと思います。そうだとすると、青色光受容体ではないかも知れません。青色光受容体からのシグナル伝達の経路はまだよくわかっていないようです。
Ｑ：葉緑体内の光受容体は光の強さなどに応じて定位運動を行うのですが、いったいどういう機構で動くのかが疑問に思いました。葉緑体は繊毛を持たず、それ自身の形もあまり変化しないので、のび縮み運動もしくは体をひねらせて回転しながら動くこともできないはずです。葉緑体の避光運動は液胞が強光の刺激によって、光の当たる正面に膨らみ、葉緑体を側面に押し込むような構造を取るのか、または原形質流動の方向が強光によって変わってしまうなどが考えられます。後半の授業に出た強光に対応できない変異株と正常なものの液胞を比較してみるのもおもしろいのではないでしょうか。
Ａ：葉緑体は、それ自身が「泳ぐ」というよりは、細胞質との相互作用で動きます。基本的には細胞骨格との相互作用により移動していると考えてよいと思います。駆動力はアクトミオシン系によりますが、ミオシンの局在すら不明ということです。
Ｑ：シアノバクテリアのpmgA変位株の話で、野生型に比べてほとんどの点で有利に見えても環境変化に弱い変位株は特定の環境以外では野生株に負けてしまうとのことでした。実際に稲の品種改良でわい性にすることで風雨などによる被害を防ぐようにしているそうですが、自然ではほかの植物に太陽光を遮られてしまい、競争に負けてしまうと考えられます。自然環境において、いかに環境変化に順化することが出来るかが重要なことが分かりました。代謝系の詳しい話より今回のような話の方がより興味を持つことが出来ました。
Ａ：イネの矮性種というのはよい例ですね。
Ｑ：葉緑体の移動は細胞内の繊維によって能動的に行われる。それと原形質の流動・小胞の輸送を考えてみると、葉緑体の移動を原形質流動と逆向きに行うのは非効率で、原形質流動とリボソーム輸送を逆向きに行うのも非効率的であるような気がする。葉緑体の移動と原形質流動が別々に動くとなるとエネルギーの無駄遣いになることから植物は二つの輸送を何らかの関係を持ちながら移動を行っていると予想できる。そうすると、原形質流動は葉緑体の移動に依存するような形で行われていると考えることもできるが、植物細胞の原形質流動は常に一定方向に流れているように見えるのだが……輸送に関しては無関係なのだろうか？
Ａ：葉緑体の移動と原形質流動を一つのメカニズムで考えるのは難しいでしょう。