2009年01月16日
好熱古細菌の外圧認識⇒転写制御機構
※Pyrococcus horikoshii OT3
今週は、ＧＡＤＶ仮説～マリグラヌール～生体膜～エネルギー代謝・・・と、生命の起源に迫るエントリーが続いていますので、今日は認識機構の観点から考えてみたいと思います。
生命が「外の環境を認識して適応反応する」この奥深い仕組みはどのように形成されてきたのか？
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まずは、パイロコッカス菌の研究事例を紹介します。
沖縄の深海底、１００度以上の熱水噴出孔の近くに生息している好熱古細菌です。
●古細菌であるパイロコッカス菌が、栄養源（アミノ酸）の濃度を感知し、饗宴-飢餓モードに対応しながら遺伝子の転写を制御する「FFRP」を持つことを発見
※科学技術振興機構（ＪＳＴ）「地球上で最初に誕生した生命（コモノート）」の姿に一歩迫る発見（コモノートの代謝制御機構から生命の起源解明に向けて）
これまで本研究グループは古細菌のゲノム配列を決定し、また、これを解析する中で、各古細菌が数個から十数個の特定タイプの転写制御(注４)に関わるたんぱく質・FFRP（Feast/Famine Regulatory Protein：饗宴-飢餓・制御たんぱく質）を持つことを明らかにし、その構造や代謝制御機構解明に取り組んできました。この結果、沖縄海溝の熱水チムニーに生息する古細菌・パイロコッカス菌のFFRPのひとつが、アミノ酸の一種である「リジン」の濃度で外界の栄養状態を感知し、これをバロメーターにして饗宴モードと飢餓モードに対応して会合状態を変化させること、そして、これに基づき代謝に関係する遺伝子群（全遺伝子の約２０％）を制御する機構を持つことを明らかにしました。
パイロコッカス菌は、頭上の海から降り注ぐ魚等の残骸に含まれるたんぱく質から得たリジンなどのアミノ酸類を栄養源として生育し、栄養源が多いと増殖します。リジンと相互作用するとFFRPは図１のように８量体を形成（２量体４つが会合）し、FFRP遺伝子上流に位置するDNAに選択的に結合します。この結果、FFRP遺伝子の転写が抑制されて細胞中のFFRPの数が減少し、代謝関連遺伝子上流には結合できなくなるため、パイロコッカス菌の全代謝系は活性化されて"饗宴モード"に入り、菌は活発に増殖しはじめます。
一方、リジンが少ない低栄養状態では、FFRP８量体は２量体へと解離し、FFRP遺伝子上流部に位置するDNAとの結合は弱まります。この結果FFRP２量体の数は細胞あたり6000程度まで増加し、２００ヵ所以上の遺伝子上流に結合して、これらの転写を抑制（図２）するため、代謝は"飢餓モード"に突入し、増殖が抑えられます。この代謝系の転写制御機構は、FFRPの構造や機能をさまざまな角度から研究したことにより解明されました。
よくできた仕組みですね
「ＦＦＲＰ」と呼ばれるタンパク質群が、アミノ酸（リジン）濃度を媒介として外的環境の変化を認識し、遺伝子の転写を制御しているわけです。
生命の外圧適応の観点からは、こうした「制御因子」（と受容体）が認識機構の要、ＤＮＡ上の多くの遺伝子発現はその制御下にあると言えます。
もうひとつ注目点は、ＦＦＲＰが真正細菌の大腸菌にも存在することです。
このことから、古細菌と真正細菌が分かれる前の共通祖先の段階から、こうした認識機構が存在していたことが推察されます。
つまり「外的環境（外圧）認識⇒適応反応」の最も原初的な回路である可能性が高い。
生命の誕生前夜＝物質から生命へのあゆみが、「アミノ酸の重合」（マリソール→マリグラヌール様の物質） あたりからはじまったのだとすれば、アミノ酸の重合するメカニズムがベースとなって、（ＦＦＲＰのような）アミノ酸濃度に応じたタンパク質変成のメカニズムを生み出し、それが外圧認識機構のベースとなっていったという仮説も考えられそうです。
（※生物の認識機構を考える上では、上記「外圧認識」ともうひとつ「同類認識」が重要になります。同類認識の起源も探っていくと興味深いテーマになりそうです。→参照記事：原始生命と群れ【仮説】 単細胞生物の同類認識）
- by iwaiy
- at 00:50
comments
外の環境を認識するしくみっていうのも考えてみると面白いものですね。
パイロコッカス菌はアミノ酸の濃度変化で認識してるんですか！！
まあ細胞にとっては周りに栄養があるかないかが一番必要な情報ですもんね。
たしかにアミノ酸の濃度には敏感に反応してそうです。
お久しぶりです。コモノートは耐熱性の
古細菌をたどって行くとあるのだと学生時代に
教わった覚えがありますが、認識機構に
対する遺伝子の話は初めてでした。
単細胞から多細胞になるには、やはり
群れであることの認識が必要だったと
思われますね。接着細胞がらみかと
私は勝手に理解していたのですが・・・
それでは、また。ブログ応援しております。
はるじおんさん、コメントありがとうございます♪
単にエサに敏感！というだけでなく、外的環境の変化から、代謝や分裂を制御している点に生命の精妙さを感じました。
ロスジェネさん、コメントありがとうございます♪
コモノートは、古細菌と真正細菌の共通祖先として仮定された概念のようですね。
今後も、生命の基幹システムに迫る追求を行っていきたいと思いますのでよろしくお願いします！
iwaiyさん、はじめまして。
最近、会員になりましたＫＡＭと申します。
古細菌が環境応答によって遺伝子の転写を制御する話、とても興味深かったです。
少し前から、エピジェネティックスや、トランスポゾンと進化の関係に興味を持っており、その観点から気になったことがあります。
環境応答して、遺伝子の転写状況が変化するときに、ＤＮＡのメチル化などのエピジェネティックな情報は、どのようになるのでしょうか。
環境からの応答で、メチル化などが変化する。
→トランスポゾンなどが動き出す。
→環境からの応答によって進化する。
という仮説は可能でしょうか。
初期のころからの会員の北斗七星です。
会員になられた方のさっそくの書き込み、嬉しく思います。
遺伝は遺伝子のみによって決定づけられるかのような誤解が、多くの人にあるようですが、環境要因によって、遺伝子の発現などを制御させたり遺伝内容を変化させたりする仕組みは間違いなく存在すると思います。
だから、KAMさんの仮説は私も的を得ていると思います。
北斗七星さん
早速、コメントいただき、うれしいです。
私は、10年位前に複雑系の物理の観点から生物の発生、進化などを研究していました。
生命が自己組織化したものだとすると、ダーウィニズムの描く生命よりも、もっと積極的に環境調和的でないと説明がつかないと感じています。
近年、セントラルドグマが部分的に破れていることが分かってきて、ようやく新たな生命科学が誕生する気配が出てきたことをうれしく思っています。
また、どうぞよろしくお願いいたします。
ＫＡＭさん、はじめまして！
11/22エピジェネティクスって、何？
http://www.biological-j.net/blog/2008/11/000611.html
上の記事を書いたときの私の直感が、ＫＡＭさんの仮説とほぼ重なります！
北斗七星さんのおっしゃるように「環境要因によって、遺伝子の発現などを制御させたり遺伝内容を変化させたりする仕組み」が生命の変異と進化を読み解く上でキーになると思います。
レトロポゾンと進化の関係でも、興味深い切り口が見つかっています。
・レトロポゾンは哺乳類の脳進化を促した？！
http://www.biological-j.net/blog/2008/11/000610.html
・レトロポゾンこそ人類進化の鍵かもしれない！
http://www.biological-j.net/blog/2008/11/000607.html
・レトロポジションとＹ染色体
http://www.biological-j.net/blog/2008/11/000605.html
★まだ追求途上ですが、もっと追求していくと面白い発見がありそうです。
疑問や感想、有用な情報、切り口があれば、どんどん発信お願いしますね！
よろしくお願いします☆
iwaiyさん
問題意識を共有する方と会えて、とてもうれしいです。
張っていただいたリンク先、拝見しました。
この話題、心にビンビンと響きます。
ここには、今までの生命の捉え方を根底から覆す何かが存在していると確信しています。
レトロポゾンの存在を、生命の中に位置づけるって難しいことだと思います。
形質が変化して、複雑化していく仕組み自体が、複製系の中に内在していると捉えることも可能でしょうか。
レトロポゾンには、挿入されやすい箇所とされにくい箇所とがあるそうなので、エキソン・イントロンの分布の統計則にも、レトロポゾンの挿入ルールが反映しそうですね。
もし、エキソン・イントロンの頻度分布について、何かご存知だったら教えてください。
１／ｆ ゆらぎのようなものが出てくるような気がしているのですが。。
> エキソン・イントロンの分布
・・・については私も詳しくないので、一緒に調べてください♪
レトロポゾンについては、進化史の時間軸で見た場合、その出現に大きな波があるらしいことから考えて、外圧・環境要因と関係した「変異システム」のひとつであろうと考えています。
ＫＡＭさんのコメントから、新しい追求の切り口が見つかりそうな予感。。。
一緒に勉強、追求していきましょう！
これからもよろしくお願いします☆
ゲノムの内部構造について調べてみたら、ゲノムのフラクタル構造についての論文を見つけました。
http://reiki.naist.jp/thesis/bin/property.asp?id=341
こちら↑の右下から、論文の全文を見ることができます。
ざっと見ただけですが、大腸菌のゲノムのパワースペクトル分析を見ると、高頻度領域では周期構造が見られ、中頻度領域ではランダムになっていて、低頻度領域でフラクタル性が見られるようです。
これらの内部構造ができあがった仕組みを考えるのは、生物の進化を考える上で重要だと思います。
iwaiyさんの『外圧・環境要因と関係した「変異システム」』というテーマは、非常に興味深いです。
ここまで調べた範囲で生まれた疑問は、次の3つです。
ゲノム内部が構造化していくダイナミクスにトランスポゾンがどのように関わるのか。
そこにフラクタル性が見られるというのは、どういうことなのか。
外圧・環境要因は、ゲノムの構造化に本質的な役割を果たしているのか、それとも、変化の速さを調節しているだけなのか。
何かが見えてきそうな気配があるのですが・・。
ＫＡＭさんのおっしゃる、ゲノム構造のダイナミクスを切り口として考えるのも非常に興味深いですね。
私としては、変異システム（進化）を考える場合、ＤＮＡ本体だけでなく、中心体、生体膜、ＲＮＡなど（ＤＮＡに対する制御因子も）、複眼的な思考が必要になるだろうと考えています。
話は変わりますが、当ブログにもたびたび登場する「なんでや劇場」が1/25（日）14:00～、東京と大阪で開催されます。
http://www.rui.jp/ruinet.html?i=600&c=200
テーマ：生物史から学ぶ自然の摂理⑭ 生命の起源にせまる２
～中心体が指令塔になれたのはなんで？～
※経済で大きな動きがあった場合は、テーマを変更して経済を扱う可能性があります。
ご興味があれば、おすすめします。
iwaiyさん
ゲノム構造のダイナミクスにとらわれすぎると、
生物＝内部と環境の間に生まれる、変化を伴う動的な平衡状態
と捉える見方から離れてしまって、本質を見失う危険性がありますね。
iwaiyさんのおっしゃるようは、複眼的な思考が必要だなと、コメントを拝見して思いました。
なんでや劇場おもしろそうですね。
スケジュールが合うときには、参加したいです。
KAM さん、コメントありがとうございます。
今朝はこんなニュースを見つけました。
●細胞内社会の新たな支配関係を発見―葉緑体がパラサイト・シグナルで細胞核を制御―
http://www.rikkyo.ac.jp/news/2009/01/3784/
細胞内の指令関係は、やはり核DNAを基点とするのでは説明がつかない現象が多いようですね。
★なんでや劇場は、事前の参加登録が必要ですので、都合がつくようでしたら、お早めに申し込んでくださいね！
（私は東京で参加します！）
iwaiyさん
貴重な情報、ありがとうございます。
長い間信じられていたものが、次々とひっくり返っていくのを見ると、地殻変動も近いのではないかと思って楽しみです。
ゲノムによって生物をアイデンティファイすると、「変化しないゲノム」と「その撹乱である変異」という見方になりますが、そもそも、ゲノムを特別視するのをやめると、「生物＝変化しつつも、ゆるやかなアイデンティティを持つもの」というように見ることができ、そこから新しいアイディアを出せたらと思っています。
環境と生物が強く影響しあいながら、単純なものから複雑なものへ自己組織化的に時間変化していく様相を捉えられないかと思っています。
バイロコッカス菌は、一つのヒントを与えてくれそうです。
なんでや劇場は、今回は都合がつきません。
とても楽しそうなので、いつか参加したいです。
iwaiyさん
貴重な情報、ありがとうございます。
長い間信じられていたものが、次々とひっくり返っていくのを見ると、地殻変動も近いのではないかと思って楽しみです。
ゲノムによって生物をアイデンティファイすると、「変化しないゲノム」と「その撹乱である変異」という見方になりますが、そもそも、ゲノムを特別視するのをやめると、「生物＝変化しつつも、ゆるやかなアイデンティティを持つもの」というように見ることができ、そこから新しいアイディアを出せたらと思っています。
環境と生物が強く影響しあいながら、単純なものから複雑なものへ自己組織化的に時間変化していく様相を捉えられないかと思っています。
バイロコッカス菌は、一つのヒントを与えてくれそうです。
なんでや劇場は、今回は都合がつきません。
とても楽しそうなので、いつか参加したいです。
「生物＝変化しつつも、ゆるやかなアイデンティティを持つもの」・・・私も生命をそのようなイメージで捉えています。
以前、このブログでも話題になったのですが「安定と変異の両立」という概念は生物史を通じて適用できるのではないかと考えています。
（安定だけでは環境に適応できない、変異だけでは種が保存できない・・・）
なんでや劇場の内容は、記事としてアップされる予定ですのでお楽しみに！