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光合成生物の系統と比較ゲノム解析

光合成生物の系統と比較ゲノム解析. 要旨.

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光合成生物の系統と比較ゲノム解析

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Presentation Transcript

  1. 光合成生物の系統と比較ゲノム解析

  2. 要旨 現生のシアノバクテリアの祖先種が，現在の植物や藻類の葉緑体の起源であることはほぼ間違いのないことと考えられている。細胞内共生の回数については，二次共生の概念の導入により，一次共生は一回だけであり，すべての葉緑体が単系統ということで整理出来るようになった。しかし，細胞内共生を行ったシアノバクテリアは何か，また，最も起源に近い葉緑体を持つ藻類は何か，などは依然として不明である。こうした背景のもと，葉緑体について，本当に真核細胞の中にシアノバクテリアが共生しているかのように錯覚してしまっている学生や専門外の研究者も多いのではないかと危惧される。葉緑体の遺伝子発現系のうちで，翻訳系はほぼシアノバクテリアのものに近く，また，葉緑体ゲノムにコードされたRNAポリメラーゼも，シアノバクテリアのものに非常に似ている。しかし，近年の詳細な研究によって葉緑体DNAを機能させている様々な成分の実体が明らかになるにつれて，葉緑体ゲノム装置の実体が，必ずしもシアノバクテリアからの遺産ではなく，真核細胞側から供給されたものも多いことがわかってきた。さらに，比較ゲノムにより，葉緑体の構成成分には，シアノバクテリアに由来するものと，そうでないものつまり真核細胞に由来すると解釈されるものがあることがはっきりしてきた。こうしたことを加えて，葉緑体進化の実像を少しでも浮き彫りにしたいと考えている。

  3. 植物の系統とプラスチドの種類 • 酸素発生型光合成を行う植物・藻類のプラスチドには大きく分けて２つの系統がある。 • 緑色植物系統：緑藻と陸上植物のすべてに含まれ，クロロフィルa, bを持つことが特徴 • 紅色植物系統：紅藻とそれが二次共生して生じた褐藻・クリプト藻などの藻類にあり，クロロフィルbを持たない。紅藻はフィコビリン色素を，褐藻はクロロフィルcを，クリプト藻は両方をもつ。

  4. 光合成生物を代表する生物種 シロイヌナズナ・ エンドウ （被子植物） ヒメツリガネゴケ （セン類） シアニジオシゾン （紅藻） クラミドモナス （緑藻） Synechocystis Anabaena （シアノバクテリア）

  5. シアノバクテリアと植物・藻類の葉緑体およびそれらの核様体シアノバクテリアと植物・藻類の葉緑体およびそれらの核様体

  6. Cyanidioschyzon merolae 単細胞性紅藻で，硫酸酸性の温泉に生息する (至適温度は46˚C) 。 直径約2 µmの細胞で，ミトコンドリアと葉緑体を一個ずつもつ。 細胞は２分裂により増殖し，有性生殖は知られていない。 原始紅藻ゲノムプロジェクト（代表：立教大学黒岩常祥教授）により，すべてのゲノムの塩基配列が決められた（Nature 2004）。 植物に比べて極めて遺伝子の数が少なく（約6,000個のタンパク質遺伝子），真核光合成生物の基本的な仕組みの解明に不可欠な情報が得られる。

  7. Cyanidioschyzon genome

  8. Comparative genomics of photosynthetic organisms (1) Raymond, J., Zhaxybayeva, O., Gogarten, J. P., Gerdes, S. Y. and Blankenship, R. E. (2002) Whole-genome analysis of photosynthetic prokaryotes. Science 298: 1616-1620. Comparison of 4 photosynthetic bacteria + Synechocystis with 6 non-photosynthetic bacteria. Ortholog comparison (best – best match). Lateral transfer of core components of photosynthesis.

  9. Comparative genomics of photosynthetic organisms (2) Martin, W., Rujan, T., Richley, E., Hansen, A., Cornelsen, S., Lins, T., Leister, D., Stoebe, B., Hasegawa, M. and Penny, D. (2002) Evolutionary analysis of Arabidopsis, cyanobacterial, and chloroplast genomes reveals plastid phylogeny and thousands of cyanobacterial genes in the nucleus. PNAS 99: 12246-12251. 1 – 1 comparison of Arabidopsis genes to the genes of various organisms. 4,500 Arabidopsis protein-coding genes were acquired from the cyanobacterial ancestor of plastids.

  10. シアノバクテリアゲノムの比較

  11. Gclust approach-- combined informatics and experiments -- Use of eight (or more) cyanobacterial genomes that are currently available. Use of a red alga, Cyanidioschyzon merolae, as a representative of the ‘red lineage’ of photosynthetic eukaryotes, besides Arabidopsis thaliana, a representative of the ‘green lineage’. Clustering of all protein sequences (by the software ‘gclust’) to extract lineage-specific clusters (to be made publicly available as ‘PhotoGclust’). Experimental verification of the cluster data by gene disruption and expression analysis.

  12. Gclust: genome-wide clustering of proteins by the homologue group method Annotation table ORF pool • 1st step: BLAST E-value • Groups of all possible homologues • Iteration: progressive • increase of E-value • 2nd step: homology region • Subgroups and multi-domain proteins BLASTP bl2ls2.pl Homologue list gclust Homologue group matrix homologgroupsG.pl tbsort6d.pl etc Lineage-specific homologue groups Homologue group sequences

  13. Bacterial genomes used in this study

  14. Example result (2) Group 762: 14 sequences. S81_g3096 186 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 sll1656_57_1e-08 TE_c50g6270 188 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 sll1656_89_2e-18 Ana_all3977 170 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 hypothetical_protein Ana_all4113 194 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 hypothetical_protein Syn_sll1656 191 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 hypothetical_protein NP_c357g8 190 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 sll1656_100_1e-21 NP_c445g23 189 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 sll1656_109_2e-24 NP_c506g67 189 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 sll1656_92_5e-19 Tel_tll0396 198 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 hypothetical_protein NP_c459g43 123 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 sll1656_66_1e-11 PM2_g2695 187 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 sll1656_57_2e-08 PM1_g542 177 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 sll1656_54_8e-08 Cz_Cz11g913.048 350 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 unknown_protein ATH_At2g15290 296 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 unknown_protein

  15. Genome comparison (1)

  16. Genome comparison (2)

  17. Genome comparison (3) Subcluster 1 of domains in the initial Cluster 1

  18. Genome comparison(4) Subclusters of the domains in the initial Cluster 1

  19. Examples of multi-domain proteins in Anabaena A169 1.9=misc A169_1 none 1.13=none A169_2 none 1.2=WD40 A169_3 WD40 WD domain, G-beta repeat 131.2 1.8e-35 5 1.2=WD40 A169_4 WD40 WD domain, G-beta repeat 138.2 1.4e-37 5 1.2=WD40 A169_5 WD40 WD domain, G-beta repeat 84.7 1.9e-21 3 1.2=WD40 A169_6 WD40 WD domain, G-beta repeat 179.9 4.1e-50 6 1.2=WD40 A169_7 WD40 WD domain, G-beta repeat 62.6 8.4e-15 3 C1237 1.17=PAS C1237_1 PAS PAS domain 27.5 5.2e-06 1 1.1.5=PAC C1237_2 PAC PAC motif 12.6 0.067 2 1.1.5=PAC C1237_3 PAS PAS domain 24.4 3.9e-05 2 1.1.3=HATPase_c C1237_4 HATPase_c Histidine kinase-, DNA gyrase B-, phytochro 158.3 1.3e-43 1 1.1.3=HATPase_c C1237_5 HATPase_c Histidine kinase-, DNA gyrase B-, phytochro 137.7 2.1e-37 1 1.1.2=response_reg C1237_6 response_reg Response regulator receiver domain 123.3 4.6e-33 1

  20. Examples of multi-domain proteins in Anabaena(2) C1560 1.1.5=PAC C1560_1 CBS CBS domain 15.3 0.63 1 1.1.5=PAC C1560_2 PAC PAC motif 28.7 1.5e-06 1 1.1.5=PAC C1560_3 PAC PAC motif 22.4 9.8e-05 1 1.1.5=PAC C1560_4 PAC PAC motif 38.9 1.7e-09 2 1.1.5=PAC C1560_5 PAC PAC motif 58.4 4e-15 2 1.1.5=PAC C1560_6 PAS PAS domain 64.8 2.4e-16 2 1.1.5=PAC C1560_7 PAC PAC motif 34.1 4.2e-08 2 1.1.5=PAC C1560_8 PAC PAC motif 91.2 1.3e-24 2 1.1.5=PAC C1560_9 PAC PAC motif 114.6 2.3e-31 2 1.1.3=HATPase_c C1560_10 HATPase_c Histidine kinase-, DNA gyrase B-, phytochro 145.4 1e-39 1 C6228 1.1.2=response_reg C6228_1 response_reg Response regulator receiver domain 86.0 7.8e-22 1 1.1.5=PAC C6228_2 GAF GAF domain 117.0 3.6e-31 1 1.1.3=HATPase_c C6228_3 HATPase_c Histidine kinase-, DNA gyrase B-, phytochro 162.3 8.3e-45 1 1.1.2=response_reg C6228_4 response_reg Response regulator receiver domain 131.9 1.2e-35 1 1.1.5=PAC C6228_5 guanylate_cyc Adenylate and Guanylate cyclase catalyt 103.6 3.8e-27 1

  21. ３cyanobacterial genomes An: Anabaena 7120 Np: Nostoc punctiforme Sy: Synechocystis 6803

  22. Gene groups shared by Anabaena and Nostoc

  23. Known groups of genes shared by Anabaena and Nostoc Many new genes involved in heterocyst differentiation are expected to be found in the group 2 clusters of genes.

  24. Species-specific additions and losses Many orphan genes in every species Is acquisition of exogenous genes involved in the formation of various species of cyanobacteria?

  25. Parsimonous trees based on homology groups 遺伝子の存在の有無に基づく系統樹が作れる Changes = additions+losses

  26. Data with 10 cyanobacteria(Genome tree) Parsimonous tree based on presence/absence of homolog groups

  27. Renewed RpoB tree

  28. Phylogeny of 16S rRNA

  29. Phylogeny of cyanobcteria based on comparative genomics • There are two major lineages of cyanobacteria. • Synechocystis, Anabaena etc. • Prochlorococcus and marine Synechococcus • Gloeobacter is likely to diverge from the root of one of the two lineages, but not from the root of all cyanobacteria.

  30. 細胞内共生に基づくシアノバクテリアと葉緑体の関係細胞内共生に基づくシアノバクテリアと葉緑体の関係 • プラスチドの起源となるシアノバクテリアの探索 • ゲノム全体の比較によって進化を考える • 紅藻系統と緑色系統の単系統性

  31. Hypotheses on the origin of plastids Cyano Cyano Cyano Plastids Plastids Plastids Plastids

  32. Monophyly of plastid DNA Tengs et al. (2000) Mol. Biol. Evol. 17: 718-729

  33. Phylogenetic tree of cyanobacteria and plastids

  34. Phylogeny with bacteria

  35. Phylogeny of RpoB

  36. 細胞核ゲノムコードタンパク質に基づく紅藻と緑色植物の単系統性??細胞核ゲノムコードタンパク質に基づく紅藻と緑色植物の単系統性?? Moreira, D. et al. (2000) Nature 405: 69-72

  37. いくつかの分岐パターンの検証

  38. ゲノム全体の情報を利用した系統解析 • いくつかの遺伝子の配列をつないで利用する（よく行われる）． • 個別の遺伝子の解析結果を総合して判断する（パスウェイ特異的酵素群の入れ替わりを利用する方法）． • 遺伝子の存在の有無を指標にする（gene contentによる系統解析）． • Ortholog を用いる方法 • Homolog groupを用いる方法

  39. Calvin cycle enzymes

  40. An example: GAPDH

  41. Many trees

  42. 緑色植物と紅藻におけるCalvin 回路諸酵素の起源の一致（単系統性の証拠）

  43. Translocon (protein import machinery)は，プラスチドのidentityを決める鍵 紅藻と緑色系統が単一の起源を持つのであれば，transloconの装置は単一系統であるはず。 これは，プラスチドの系統を超えて，植物・藻類そのものの系統を示すことになる。 Cavalier-Smith 1982, 2003

  44. Transloconの共通性

  45. 最も中心にある成分が紅藻と緑色植物で共通 Transloconの根幹をなす部分が単一系統であることは，このシステムの原型が成立した後に，緑色系統と紅藻が分岐したことを示す。 しかし，多くの成分が保存されていないことについては，さらに多くの植物・藻類との比較が必要である。

  46. 一次共生と二次共生 • プラスチドの起源には２通りある • 一次共生起源：最初の細胞内共生は一回だけおきた（少なくとも現存の植物の起源となる共生は一回だけおきた）が，この共生によって生じた植物・藻類がもつプラスチドを一次共生起源と呼ぶ。 • 二次共生：クリプト藻や褐藻は紅藻細胞が別の真核細胞に細胞内共生し，その後，共生体のミトコンドリアや核が退化して，プラスチドが残ったとされるもの。クリプト藻では，核の残骸がヌクレオモルフ (nucleomorph) として存在している。

  47. 二次共生体には光合成をしない生物もある 二次共生によって生じ，プラスチドを保持している生物には，マラリア原虫 (Plasmodium falciparum) など，光合成をしない生物もある。これらアピコンプレクサと呼ばれる一群の生物は，光合成遺伝子を失っているが，プラスチド自身の転写・翻訳系を保持しており，さらに，細胞核にコードされた脂質合成系タンパク質などがプラスチドに輸送されて機能することが判明した。

  48. マラリア原虫の持つプラスチドapicoplast

  49. Apicoplastの模式図 E. Marechal and M.-F. Cesbron-Delauw (2001) The apicoplast: a new member of the plastid family. Trends Plant Sci. 6: 200-205

  50. ApicoplastがもつプラスチドのDNAはプラスチドDNAとよく似ているApicoplastがもつプラスチドのDNAはプラスチドDNAとよく似ている

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