Cell biology: Organelle formation from scratch

Nature 542, News & Views
Ewald H. Hettema & Stephen J. Gould

251–254 (09 February 2017) doi:10.1038/nature21496
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature21496.html

今回の話題は、何といってもこれでしょう。真核細胞のオルガネラのひとつ、ペルオキシソームは、もともと細胞が持っているペルオキシソームが、成長と分裂を繰り返す事で維持されています。ですが、最近、ペルオキシソームが de novo に、つまり新たに、作られうるのでは、と主張する研究者もいます。表題にある「from scratch」というのは、英語で「ゼロから」という意味(なぜ英語では、「scratchから」と言うのかは不思議ですが、それはさておき)。それらの主張では、酵母でも、哺乳類でも、ペルオキシソームが ER 小胞体から生じるという説です。今回、さらに一歩進んで、ペルオキシソムの de novo 合成は、ミトコンドリアから生じた膜ベシクルと、ER 小胞体から生じた膜ベシクルが融合する事から始まる、という興味深い論文を紹介しています。

そして元論文は、同じ号に掲載されたこれです。

Newly born peroxisomes are a hybrid of mitochondrial and ER-derived pre-peroxisomes
Nature 542, 251–254 (09 February 2017)
Alum Sugiura, Sevan Mattie, Julien Prudent & Heidi M. McBride
doi:10.1038/nature21375

http://www.nature.com/nature/journal/v542/n7640/full/nature21375.html

この論文では、ミトコンドリア外膜に(ミス)ターゲットされて局在してしまったペルオキシソームのPEX蛋白質輸送装置のimportレセプターである Pex3とPex4、それと、ER 小胞体から生じる膜ベシクルに乗ってくるPEXの必須コンポーネント Pex16 が、二つの膜ベシクルの融合により、機能しうる PEX 蛋白質輸送装置を構成して、それにより、どんどんペルオキシソーム蛋白質が運ばれるようになって。。。面白いですね。ただ、

 最初の紹介文、この発見を大変面白い!と紹介しつつも、やはり、多くの疑問が残されていると書いていますね。ひとつは、そのような de novo ペルオキシソーム合成には、何日もかかっているように見える点。今回は、ペルオキシソーム形成不全の変異体を用いているので、そのような非常に遅いものが見えるのですが、実際に、ペルオキシソームがある状況では、そのようなde novo による合成は、ほとんどペルオキシソームの形成に寄与していないのではないか。。。 という主張ですね。もうひとつは、酵母では、そのような現象は見られていないのでは、という主張です。

 いずれにせよ、これからの成り行きが楽しみですね。

(M)

(Nature News & Views: Cell biology: Organelle formation from scratch. By Ewald H. Hettema & Stephen J. Gould より)

Why do our cell’s power plants have their own DNA?

Science, News: Our 10 favorite science news stories of 2016

今日何気にサイエンスのウェブサイトを見ていて

http://www.sciencemag.org/news/2016/12/our-10-favorite-science-news-stories-2016

“Our 10 favorite science news stories of 2016” という記事が 昨年12月23日に出ているのに気がつきました。サイエンスの毎年の最終号には、The runners-up (http://science.sciencemag.org/content/354/6319/1518.full)というのが掲載され、その年の特筆すべき発見や発明が(今年は9つ)選ばれて Breakthrough of the Year として紹介されます。ちなみに、今年は Breakdowns of the year も掲載されていたような。。。 それはともかく、それらとは別に、10編のサイエンスお気に入りのストーリーが News セクションに出ていました。死んでから数日もアクティブな遺伝子の話など、10のストーリーはどれもなかなか面白いものです。その中で、オルガネラバイオロジーに関係のある話題が。。。もともと Feb. 18, 2016 の News で出てたこれです。

Why do our cell’s power plants have their own DNA? By Laurel Hamers

http://www.sciencemag.org/news/2016/02/why-do-our-cells-power-plants-have-their-own-dna

ミトコンドリアゲノムは、昔々、内共生したαプロテオバクテリアゲノムの名残り。進化の過程で多くの遺伝子は核ゲノムのほうに移り。。。例えば、核ゲノムに2万を超える遺伝子を持つヒトでは、37遺伝子がミトコンドリアゲノムに残っているだけ。とはいえ、なぜ、全部失ってしまわなかったのでしょうか?ミトコンドリアゲノムに遺伝子を保持しているがために、いつまでも、ミトコンドリアの中で転写翻訳系を動かさないといけないし、ゲノムの複製もしないといけない。それに、ミトコンドリアゲノムの遺伝子に変異が入ると重篤な遺伝病が生じたりする。なのに、どうしていつまでも保持してきたのでしょうか?その答えを出すために、これまで決定されてきた2000を超える様々な生物のミトコンドリアゲノム情報を比較解析をした研究者がいました。これがその論文。Newsはその紹介記事ですね。

Evolutionary Inference across Eukaryotes Identifies Specific Pressures Favoring Mitochondrial Gene Retention
Cell Systems, 2(2),101–111, 24 February 2016
Iain G. Johnston, Ben P. Williams
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cels.2016.01.013

Highlights
•Efficient and generalizable machinery is developed to infer evolutionary pathways
•Analysis of >2,000 mtDNA sequences reveals gene loss patterns and predictive features
•GC content and hydrophobicity predict patterns of gene loss and experimental outcomes
•Energetic centrality of protein product in complexes dictates gene retention in mtDNA

そこから導き出されたミトコンドリアゲノムに残される傾向のある遺伝子は、ミトコンドリアのエネルギー産生の中心となる呼吸鎖複合体のコアの部分に近い疎水性のサブユニット。。。でも、それって、昔から研究者の間では、気づかれていた事ですね。確かに、複合体のコアとなる疎水性の膜蛋白を外から運んでくるより、中で作ったほうが、複合体をアセンブリーしやすい。。。 でもそれだけが理由? ここで著者らは、ひとつの面白いアイデアを。つまり、ひとつの細胞にはミトコンドリアが非常に沢山あって、それぞれが融合や分裂を繰り返しています。ミトコンドリアゲノムもマルチコピーで、ばらばらのミトコンドリアの中に多数分布しています。極端に言えば、一つの細胞の中でも、別々のミトコンドリアでは、生理状態も違い、中には、傷んでいるものもある。そういう、個々のミトコンドリアで、エネルギー産生を活発にさせるのか、不活化させるのか、ミトコンドリアゲノム上にある呼吸鎖複合体のコアとなる遺伝子の発現や翻訳を制御するだけで、オンデマンドに調節が可能。そういうところが利点となって、ミトコンドリアゲノムに保持されてきたのではないかと。確かに、核ゲノムコードでは、発現調節を受けると、細胞全体のミトコンドリアに影響が及んでしまいますね。実は、この考えかた、葉緑体ゲノムコードの蛋白にも当てはまりそう。。。面白いですね。

この Cell Systems の元論文。図の表示の仕方も結構面白いので、一見の価値ありですね。(M)

(Science News: Why do our cell’s power plants have their own DNA? By Laurel Hamers)

Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity

Nature Published on line 11 Jan 2017
doi:10.1038/nature21031
Katarzyna Zaremba-Niedzwiedzka et al.

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature21031.html

 今日は、ネイチャー in press からの紹介です。真核細胞が地球上に生まれたのは、生命の進化の中で、一つの革新的な出来事でした。でも、いったいどうやって?現時点で最も受け入れられている考え方は、古細菌に属するホストの細胞に、呼吸能を持ったαプロテオバクテリアが内共生してミトコンドリアとなり、これが最初の真核細胞となった、というシナリオです。ここで、問題となるのは、古細菌側のホストです。内共生が起きた時点で、既に、内膜構造の形成や膜輸送などのメカニズムの原始的なものが、生まれていたと予想されるのですが、そのような、真核細胞の直接の祖先にあたる古細菌は、具体的には同定されていません。今回の論文の著者らは、2015年に、深海の堆積物のメタゲノム解析から、Lokiarchaeotaと名付けた分類の古細菌が、真核細胞の祖先に当たるのでは、という論文をやはり Nature に発表しています。今回の論文では、同様のメタゲノム解析で、同じ分類に入る Thorarchaeota、 Odinarchaeota、Heimdallarchaeota を見出し、Asgard archae と名付けています。これらは、Sec23/24 やTRAPPといった真核細胞の膜輸送に必須の蛋白質のホモログを有する事から、真核細胞の祖先にさらに近づいたという、提唱ですね。確かに、そうかもしれませんね。

同じ号の NEWS & VIEWSの、この論文の紹介文 “Mind the gaps in cellular evolution” に書かれているとおり、これらの分類に属する古細菌が持っている真核細胞に特有の因子はごく一部で、フルセットではない事がひとつの問題とも言えます。何といっても、これらの生物は、メタゲノム解析でのみ想定された古細菌で、その実体が顕微鏡で確認されたわけでもなく、もちろん研究室で培養されたわけでもありません。真核細胞誕生の謎に迫る、これらの研究から、これからも目が離せません。(M)

http://www.nature.com/nature/journal/v541/n7637/full/nature21113.html

(Microbiology: Mind the gaps in cellular evolution by James O. McInerney & Mary J. O’Connell. Nature 541, 297–299 (19 January 2017) doi:10.1038/nature21113, NEWS & VIEWSの記事から)

POLICY FORUM : by President Barack Obama in Science.

The irreversible momentum of clean energy.

Science 9 January 2017: Online
DOI: 10.1126/science.aam6284 Barack Obama

http://science.sciencemag.org/content/early/2017/01/06/science.aam6284.full

また新年が始まりましたね。時の流れは早いものです。今年もよろしくお願いします。

 今回は、オバマ前アメリカ合衆国大統領が任期最後にサイエンス誌に発表した論文です。上のリンクから自由に閲覧できます。一般ニュースになっていましたから、ご存知の方も多いのではないでしょうか。地球温暖化をストップするための流れは逆戻りできない、逆戻りさせてはならない、という強いメッセージですね。抵抗勢力の反発にあって、掲げた政策目標の多くが達成できなかったとはいえ、示した様々な方向性は、十二分に良心ある地球の未来を見据えたものでした。一方で2017年は、そうはあって欲しくないですが、残念ながらその方向性が、大きくねじ曲げられかねない状況にあります。権力に物を言わせて。。。そんな考えが罷り通ってしまうのか、という状況がそこかしこに生まれているように思いますね。科学の世界には、そのような論理は持ち込んで欲しくはないですね。でも、皆さんの周りにも居られませんか?えっ!?と耳を疑うような無茶な論理を堂々と述べられる方が。。。

 それはさておき、オバマ大統領には、職を退いた後にも、オピニオンリーダーとしてまだまだ頑張っていただきたいですね。(M)

Meeting Report: From the summit of nascent chain biology: 新生鎖の生 物学主催の国際会議

Climbing to the peak of nascent-chain knowledge

Nature Structural & Molecular Biology 4 Nov 2016: Vol. 23, pp. 949-951
DOI: 10.1038/nsmb.3314 Daniel N Wilson & Patricia L Clark

http://www.nature.com/nsmb/journal/v23/n11/full/nsmb.3314.html

以前、新学術領域研究「新生鎖の生物学」主催の国際会議が河口湖畔で開催された事を書きました。その時の様子を、海外招待講演者のDaniel N Wilson と Patricia L Clark博士が書いていますね。さすが、うまく、まとめてありますね。論文未発表の情報は隠すところは隠しつつ。。。 この研究分野、本当に急速に拡大しつつある、という事が、この国際会議の紹介文だけでなく、最近、関連論文をトップジャーナルに頻繁に目にする事からも分かりますね。

Nature Structural & Molecular Biology の Website で使われている見出し「From the summit of nascent chain biology」や、紹介文のタイトル「Climbing to the peak of nascent-chain knowledge」にぴったりの富士山のいい写真も載っていますね。(M)


by Jyunichi Moriya, Location of Lake Kawaguchi at the base of Mount Fuji, Japan. (doi: 10.1038/nsmb.3314)

nsmb.3314.pdf

Improving photosynthesis and crop productivity by accelerating recovery from photoprotection

Science 18 Nov 2016: Vol. 354, Issue 6314, pp. 857-861
DOI: 10.1126/science.aai8878

http://science.sciencemag.org/content/354/6314/857

 少し更新が遅れてしまいました。科研費の申請シーズンで、バタバタしていました。といっても、これから年末にかけても、バタバタは続きますけどね。

 今日は、サイエンス最新号からの紹介です。サイエンスは、植物研究も、こんな風にドカンと表紙で取り上げてくれるので、嬉しいですね。植物は、光エネルギーを使って光合成を行うわけですが、過剰な光が当たっていると、クロロフィルが吸収したエネルギーが、その下流の光化学系の処理能力を超えてしまいます。この過剰のエネルギーをうまく捨てていかないと、細胞にとって有害な活性酸素種が発生してしまい、植物にとってダメージを与えてしまいます。植物は、光エネルギーの第一の取入れ口である光化学系IIの周辺でこの過剰のエネルギーを処理する仕組みを作り上げてきました。この仕組みは複雑ですが、1つめとして、光化学系IIのサブユニットPsbS へのプロトンの結合によるチラコイド内酸性化が引き起こすqEクエンチングという仕組み、2つめとして、光化学系IIの集光性クロロフィル蛋白質LHC2に補助色素として結合するキサントフィルの構造変化のサイクル、具体的には、ビオラキサンチンとゼアキサンチンの間の構造の相互変換、を利用して、この過剰に吸収したエネルギーを熱として放散させる仕組みを持っています。すなわち強光下では、集光効率の低いゼアキサンチン側に、弱光下では逆に集光効率の高いビオラキサンチン側に、プールが偏るという事でしょう。この構造相互変換を触媒するのが、ビオラキサンチンデエポキシナーゼ(VDE)と、ゼアキサンチンエポキシナーゼ(ZEP)、という酵素になります。
 さてここからが本題です。このNPQという仕組み、うまく出来ているのですが、それでも弱点があります。それは、自然界では、強光から急に弱光に変化したり、また、その逆、という事が頻繁に起こります。例えば、強い太陽の光が、突然雲に遮られるとか、風向きが変わっていきなり、上の葉の日陰に入ってしまうとか、によってです。そのような時、植物は、NPQによって過剰エネルギーを逃がすように適応していた体制から、弱光下での体制にすぐには移行できずに、弱光下で利用すべき吸収したエネルギーをしばらくは熱として捨て続ける事になります。見積もりによると、20%ものバイオマス生産の低下をもたらしているとか。この一見無駄に見える部分を、効率よく利用できるようにすれば、穀物、バイオマスの増産に有益になるのでは。。。 というのがアイデアです。そして、それを、PsbS、VDE、ZEPというNPQ に関わる3つの鍵蛋白質を過剰発現させる事で、達成できるのでは、というアイデアを著者らは試してみることにしました。つまり、役者を過剰発現させる事で、NPQのサイクルをアクセレレート、加速できるというアイデアですね。実際は、シロイヌナズナの PsbS、VDE、ZEPの遺伝子を、別々のプロモーター下に導入して T-DNA にタンデムに組み込み、形質転換タバコを作成しています。それぞれの蛋白質が、3倍、47倍、75倍にまで増加しているようです。そして、結末は。。。 

 人工的にチラつかせた光照射下で栽培しても、太陽光の下、フィールドで栽培しても、乾燥地重量として、14〜15%の増産に。いいですね〜 実際の穀物に導入した結果が楽しみですね。個人的には、3つの因子をまとめて導入してしまおう、というところも気に入りましたね。植物でも、そういう事が実際出来るんですね。私たちの実験にも使えそうです。(M)

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“It’s very difficult to know whether something is useful or not, but one can know that it’s exciting”

The Nobel Prize in Physics 2016; F. Duncan M. Haldane – Interview

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2016/haldane-interview.html

 今年のノーベル物理学賞は アメリカの研究者3人に贈られました。「トポロジーの考え方を量子力学の理論に応用」。。。。(~~;)

 ですが、受賞者の一人のインタビューの一節に以下のようにありました。気にいったところだけ引用しておきますね。

 今回同時受賞した3人は3人ともイギリスで生まれ、イギリスで教育を受けたが、みんなその後アメリカに渡って研究を続けて今回の受賞に繋がったという事実に、何か意味があるのか?との問いに対する答え。イギリスでも「その研究何の役に立つの?」って政府が圧力をかけた時期が、昔々70年代後半!にあったのでしょうか。。。さて日本では?

” I suppose in the late 70s I think there was a bit of a de-emphasis by British funding things on fundamental research as opposed to useful research. I think it is a very bad thing when government agencies start to say… we should never say things like “What’s it used for?” Because all the big discoveries of really useful things don’t really come about because someone sits down and thinks “I want to discover something useful”. They occur because someone discovers something interesting and it turns out to be tremendously useful. I mean that’s the history of everything, in the transistors. …… ”(M)