【難波成任先生】

動植物の細胞内に感染し宿主交代する
最少ゲノム生物「ファイトプラズマ」

文明の急速な進歩とともに、我々は豊かで便利かつ快適な生活を送れるようになった。しかし、それと引き換えに資源の枯渇という切実な問題に直面している。世界の人口は今や60億に近い。2020年には100億前後に達するであろうといわれており、食糧の総量はいずれ人類を支えられなくなるであろう。一方、世界中の可能作物生産額の約15％が病気により失われている。これは、年間8億人以上の人口を養える量である。 世界中で、多くの園芸植物や食糧作物に黄化・萎縮・叢生・てんぐ巣・花の葉化･緑化など特徴的な症状を引き起こし、農業上大きな被害をもたらす病気は、「クワ萎縮病」や「イネ黄萎病」・「キリてんぐ巣病」などいわゆる「萎黄叢生病」と呼ばれる一群の病気として我が国のみならず世界各地で古来より数多く知られていた。害虫の一種であるヨコバイ等の昆虫により媒介され、植物から植物へと伝染する。しかし、この病原体は滅菌するための濾過用のフィルターを通り抜けることから、永いことウイルス病と考えられてきたがどうしてもその実体を捕らえることは出来なかった。ファイトプラズマは、1967年に世界に先駆けてわが国で発見されたこれまでになかったタイプの病原体である。ファイトプラズマは植物の篩部細胞や昆虫の細胞内に生息する細胞壁を欠いた多形性の細菌で、一般細菌とウイルスの中間的な大きさ（径200-800 nm）の微生物であり、発見から約40年を経て、なおこれまで培養に成功していないことから、防除や治療法の確立は遅れていた。しかし依然としてその被害は拡大している。世界中でココヤシが枯死し、ひどい国では95%が枯死している。桐材に使用されるキリでも大きな被害を生じており、特に2300年以上栽培されてきた中国では大量に枯死している。ファイトプラズマは36種あまり知られているが、その全ゲノム解読（Phytoplasma asteris：世界最大のグループ）が昨年初めて完了した。

生物は遺伝情報をどこまで減らせるのか？ ?? 驚くほど少ない
ファイトプラズマのゲノムは、最少遺伝子セットを持つモデル生物とされるマイコプラズマゲノムに認められる重要な遺伝子群や、生物に必須とされる遺伝子群も一部欠いていた。このことから、ファイトプラズマは動植物に感染する生物でありながら、極限にまで遺伝情報を切りつめた細菌といえる。「ファイトプラズマ」は、通常の細胞が保持している生合成能のほとんど全てを捨て去ってしまった。この生命体は、植物に病気を引き起こすような寄生生活を長い間送っていたため、栄養分を得るために働く必要がなかったのである。非常に不思議なことに、ファイトプラズマは一般のバクテリアが宿主から収奪しているような栄養分を、あえて取り込むことすらしていない。ファイトプラズマは、感染した植物細胞内から全く別の種類の栄養分を収奪することにより、通常とは異なる生き方を見つけたのかもしれない。

動植物ウイルスの祖先と思われるプラスミドを持っている
ファイトプラズマは、これまで例のないタイプのプラスミドを２種類持っている。ひとつは植物ジェミニウイルス複製酵素と似た複製酵素を持っている。もう一つは細菌プラスミドの複製酵素と動植物ウイルスのサーコウイルスやナノウイルスのヘリカーゼ部分を併せ持った複製酵素をコードしている。真核生物の1本鎖DNAウイルスは原核生物のプラスミドから進化したとされるが、それを証明する証拠はこれまでなく、このプラスミドは両者をつなぐ『ミッシングリンク』である可能性がある。

膜表面に提示される主要抗原タンパク質により媒介昆虫を選んでいる
ゲノム解析から物質輸送に関わるタンパク質など多数の膜タンパク質遺伝子が見つかった。これらのタンパク質は、ファイトプラズマの細胞表面に存在すると考えられる。ファイトプラズマはそれぞれ固有のヨコバイにより媒介される。これらのタンパク質が媒介昆虫の特異性に関係している可能性が高い。

ファイトプラズマのゲノムには300以上の機能未知の遺伝子が潜んでいる
多くの細菌が持っている毒素遺伝子や病原性遺伝子はファイトプラズマには無く、それらとは全く異なる仕組みで植物に病気を引き起こすと考えられる。ファイトプラズマ病は、日常、我々の身近に頻繁に見られるが、その特徴的な病徴から、花が緑色の葉になるアジサイのように、商品価値を認められ、品種登録された例もある。またポインセチアでは、花をたくさんつけ、枝分れが豊富で、矮性型の場所を取らない人気のタイプがファイトプラズマ感染によると言うことは余り知られていない。

このように、ファイトプラズマは極めてユニークな微生物であるが、その病理の解明は新たな発病のメカニズム、宿主決定の分子機構、植物の進化に与えた影響など、興味深い事実を明らかにすることが出来るものと思われる。これまでに明らかになった最新の知見を紹介する。

http://papilio.ab.a.u-tokyo.ac.jp/planpath/

【林誠先生】

植物と土壌微生物の共生
〜陸上の生物相を形作ってきたもの〜

　海洋から陸上へと最初の植物が進出したとされる4億年前、現在の陸上植物の大部分に見られる土壌微生物「菌根菌」との相互作用が始まった。アーバスキュラー菌根菌（ここでは単に菌根菌という）は植物の根に細胞内共生し、植物の水分・養分（特にリン）の吸収を助け、見返りとして植物から光合成産物を受け取ることで相利共生を成立させている。太古の陸上における過酷な環境を生き抜くために、植物と菌根菌との共生は必須であったと考えられている。したがって、今、地上で見ることのできるランドスケープはこの共生から始まっているといっても過言ではない。菌根菌が文献に初めて登場するのは1885年のことだが、分子レベルでメカニズムが解明され始めたのはごく最近である。ここでは植物の持つ、菌根菌との共生に必要な遺伝子とそのシグナル伝達経路を軸に、共生の進化を眺めてみたい。
　菌根菌は糸状菌の仲間であり、その中でもかなり特徴的なグループを成している。多核であり、単独培養できず（絶対共生菌）、かつ形質転換が不可能であることから、菌根菌の分子遺伝学的解析は進捗しなかった。また、共生のホストである植物側からのアプローチも、共生による植物の生育促進は相対的な尺度でしか測定できず、変異体の選抜は最終的に顕微鏡下でおこなう必要があるためにその単離が困難であった。しかしながら1989年に菌根菌と共生できなくなるような変異体Myc-が報告された。それは根粒菌との共生が不全になった植物であった。根粒菌とは、マメ科植物と細胞内共生し、根に形成された根粒中で大気中の窒素を固定する土壌バクテリアである。この場合、土壌に窒素肥料を与えない状態で根粒菌を接種することで容易に変異体の選抜が可能なことから、従来から多くの変異体が単離されてきた。その中でも根粒の発達の全く見られないNod-変異体の多くが菌根菌との共生も破綻していたのである。菌根菌・根粒菌双方の共生に必要な一連のシグナル伝達経路をCommon Signaling Pathway（CSP）と呼ぶ。この数年、マメ科モデル植物のミヤコグサ・タルウマゴヤシのゲノム解読が進んだおかげで、CSPに関わる遺伝子が徐々に同定され始めてきた。
　根粒菌は植物の根からの滲出物質、フラボノイドを受容し、感染シグナルであるノジュレーション・ファクター（NF）を分泌する。NFを受容した植物は、CSPを通じて根粒の発達と細胞内共生に必要な遺伝子を発現させると考えられている。先に述べた理由から、菌根菌の感染シグナルMFは未だ同定されていない。2002年に世界で初めて報告された、菌根菌との共生に必要な因子はSYMRK、レセプター様キナーゼ（RLK）であった。これは細胞外にLRRドメインを、細胞質側にS/Tキナーゼドメインを有している。SYMRKのリガンドは明らかではないが、MFである可能性は捨てきれない。キナーゼドメインは分子間自己リン酸化によって活性化し、したがってSYMRKはホモダイマーを形成していると考えられている。また、推定NF受容体についてはその翌年、NFRとして同定されており、これは細胞外にLysMドメインを、細胞質側にはS/Tキナーゼドメインを有するRLKである。NFRに変異が生じても菌根菌との共生は正常なことなどから、NFRはCSPの上流に位置すると考えられている。
　NFR、SYMRKが細胞外のシグナルを細胞内に伝達するための重要な因子であることが判明し、次に細胞内シグナル伝達はどのように実行されているのだろうという疑問が生じる。1996年、NFを与えた根毛細胞でカルシウムイオンの特徴的な周期的増減が生じることが明らかにされた。このカルシウムスパイキングは一部のNod-Myc-変異体では観察されず、残りのNod-Myc-変異体では認められることから、カルシウムスパイキングは菌根菌・根粒菌の感染シグナル伝達に重要な役割を果たしていると推測された。我々はカルシウムスパイキングを示さないミヤコグサのNod-Myc-変異体からCASTORを同定した。興味深いことに、このタンパクにはホモログPOLLUXが存在し、そのいずれかに変異があれば変異表現型を示した。これらは４回膜貫通型推定イオンチャネルであり、GFP融合タンパクはプラスチドに局在していた。細胞内シグナル伝達におけるプラスチドの役割は全く明らかになっていなかった。両者がカルシウムチャネルとしてスパイキングに直接関与するのか、あるいは他のイオンを通じてこれを制御しているのか、これから解決すべき問題である。
　ところで、いったんカルシウムスパイキングに変換された感染シグナルは、次にカルシウム・カルモジュリン依存型キナーゼCCaMKによってリン酸化カスケードに再変換され、最終的に転写因子によって共生遺伝子の発現に結びつくと予想される。そこで、ミヤコグサのMyc-変異体の中から根粒形成の抑制されるステージが最も遅い唯一のFix-Myc-変異体に注目し、その原因遺伝子を同定することにした。CYCLOPSに変異が生じると、菌根菌の場合は樹枝状体と呼ばれる、水分・養分の供給に必要な細胞内構造を形成できない。根粒菌の場合は感染糸と呼ばれる、根毛細胞に形成される細胞内共生に至る物理的な細胞内感染経路を誘導できない。このタンパクはＣ末にヘリックス・ターン・ヘリックス構造を持ち、さらにGFP融合タンパクを用いた解析によって、核に局在することが判明した。また、CSPの下流で働く根粒形成遺伝子NINおよびENOD40の発現を誘導していることが明らかとなった。したがって、CYCLOPSはCSPの最下流に位置し、共生遺伝子の発現制御に重要な役割を果たしているとともに、共生菌が細胞内に侵入する際に必要な因子であると考えている。
　さて、根粒菌との共生から垣間見た菌根菌との共生で、感染におけるシグナル伝達機構の概要は解明されつつあるが、これが全てではないのは明らかである。Nod-Myc-変異体の中で最も重篤な表現型は付着器の異常と内生菌糸の発達阻害であり、それ以前の、外生菌糸の発達や付着器の形成に関与する遺伝子は同定されていない。また後期の、樹枝状体における物質の収受に関与する変異体もしかりである。これはすなわち、これらの遺伝子の変異がNod+Myc-になり、従来の変異体選抜方法では単離できないことを意味している。裏を返せば、根粒菌は菌根菌との共生に必要なシグナル伝達経路の「一部」を流用して共生を成立させていることになる。マメ科植物と根粒菌との共生は6000万年前に始まったといわれ、その時点で既に確立されていた菌根菌共生シグナル伝達経路と「何か」他の経路を組み合わせることによって、マメ科植物は根粒菌との共生を築き上げたのかも知れない。

【生田宏一先生】：

免疫系の多様性獲得機構
〜エピジェネティクスでどこまでわかったのか〜

研究内容紹介
　免疫系は、宿主と病原微生物の激しい生存競争の最前線で進化した結果、我々の想像をはるかにこえた巧妙な制御機構をそなえています。 したがって、免疫系は、感染に対する生体防御という点で重要であるのみならず、研究対象としても、予期せぬ発見が続くテーマの宝庫といえます。 私達の研究室では、この免疫系を対象として、医学・生物学において普遍的な原理・原則を明らかにすることを目指しています。
これまでの私達の研究室の成果として、大きく２つ挙げられます。一つは、リンパ球の初期発生の研究でして、胎児期と成体期の幹細胞では胎児型リンパ球 に分化する能力が異なっているということです。いいかえれば、幹細胞といえどもその性質が変化する、いわば、老化するということです。二つ目には、インタ ーロイキン７というサイトカインが、リンパ球抗原受容体遺伝子のDNA組換えを、クロマチン構造を変えることにより制御することを明らかにしたことです。いずれの研究も、 医学・生物学の根幹にかかわる問題といえます。
このような流れを受け、現在、私達の研究室では、免疫系の構築と免疫応答の制御機構について、 (1) 造血幹細胞からの免疫系細胞の運命決定の分子機構、(2) クロマチン構造変換によるリンパ球抗原受容体遺伝子の組換え制御機構、(3) サイトカインレセプターの発現制御と免疫応答の調節、などの研究をおこなっています。生命科学・医学の分野で、ユニークな研究を積極的に志向する大学院生・研究員を募集しています。詳細はhttp://www.virus.kyoto-u.ac.jp/Lab/ikuta.htmlをご覧下さい。

講演要旨


　リンパ球抗原受容体遺伝子のV(D)J組換えは、リンパ球の分化の過程で、細胞系列ならびに分化段階特異的に厳密に制御されている。これは、ある染色体領域が組換え酵素に対してaccessibleかどうかによって決まると想像されている。しかしながら、最近までその分子レベルでの実態は必ずしも明らかではなかった。
インターロイキン７レセプター（IL-7R）欠失マウスでは、T細胞抗原受容体γ鎖（TCRγ）遺伝子の組換えがブロックされており、γδ細胞が完全に欠落している。これは、IL-7Rのシグナル分子のStat5が、転写共役因子によるヒストンのアセチル化を介してTCRγ遺伝子のクロマチン構造を緩め、組換え酵素のaccessibilityを増大させていることによる。このIL-7RによるTCRγ遺伝子座の組換え制御システムは、V(D)J組換えにおいて細胞表面からクロマチンまでその精細な機構が明らかとなった最初の例である。 　
造血幹細胞から多種多様な血液細胞が整然と分化する姿に魅せられて、２０年以上になる。この間のさまざまな試行錯誤もまじえて、免疫システム生成機構研究の一例をお示ししたい。

【成宮周先生】

プロスタノイド受容体によるホメオスタシス制御とその破綻

動物個体は、内外の多様な刺激に対して体内の様々な機構を動かし生体ホメオスタンスを維持している。 その一つがプロスタノイドによる制御である。プロスタノイドはプロスタグランジン(PG)D₂、PGE₂、PGF_2α、PGI₂、 トロンボキサン(TX) A₂などより成るが、体内では8種類の受容体に結合しその作用を発揮する。これらは、PGD受容体 (DP)、4種類の PGE受容体（EP1、EP2、EP3、EP4）、PGF受容体 (FP)、PGI受容体 (IP)、TXA受容体 (TP) である。我々は これら8種類の受容体のそれぞれをクローニングし、各々を欠損したノックアウトマウスを作成して個々の受容体の機能を 解析してきた。プロスタノイドは刺激に応じて合成放出され、局所のホメオスタシスの維持に働くとされているが、受容体欠損 マウスの結果より、これらが体内の様々な場所で多様な働きをなしていること、この欠如が色々な病態となって現れることが 明らかとなった。例えば、EP4受容体欠損マウスの実験より、この受容体が腸において、粘膜上皮のintegrity の維持と粘膜固 有層での免疫抑制を行っていること、この破綻は、炎症性腸疾患に対する感受性の上昇となって現れることを見出した。これに 対し、同じPGE₂に反応する受容体であっても、EP3経路は、I型アレルギー反応を抑制しており、この欠如は、アレルゲンに対す る過剰反応を惹起する。I型アレルギーに属する気管支喘息では、プロスタノイド生合成を抑制するアスピリンによって発作が惹起 されるアスピリン喘息の存在が知られており、上記結果は、アスピリンによる発症機序としてEP3経路の抑制があることを示唆してい る。また、TXA₂-TP経路が、リンパ節における樹状細胞-Ｔ細胞相互作用をネガティブに調節し、これにより免疫反応の程度を調節し ていること、このため、この経路の破綻は、過剰な免疫反応となって現れることも明らかとなった。さらに、各種EP欠損マウスに細菌 内毒素（LPS）などの感染ストレスや新奇環境や未知個体への暴露といった環境・社会ストレスを加えることにより、PGE₂-EP受容体経 路が、発熱やACTH放出といった身体的ストレス反応のみならず、環境や社会ストレス下での動物の行動を調節していることも明らか となった。この経路に欠陥があるとストレスに対して暴発的な攻撃性が誘発される。

「文献」
1. Narumiya, S., Sugimoto, Y. & Ushikubi, F. Prostanoid receptors; structures, properties and functions. Physiol. Rev. 79,1193-1226 (1999)
2. Ushikubi, F. et al. Impaired febrile response in mice lacking the prostaglandin E receptor subtype EP3. Nature, 395, 281-284 (1998)
3. Matsuoka, T. et al. Prostaglandin D2 as a mediator of allergic asthma. Science, 287, 2013-2017 (2000)
4. Mizoguchi, A. et al. Exclusive localization of prostaglandin D receptors to arachnoid trabecular cells in mouse basal forebrain and its involvement in the regulation of non-rapid eye movement sleep. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 98, 11674-11679 (2001)
5. Kabashima, K. et al. The prostaglandin receptor EP4 suppresses colitis, mucosal damage and CD4 cell activation in the gut. J. Clin. Invest., 109, 883-893 (2002)
6. Matsuoka, Y. et al. Impaired adrenocorticotropic hormone response to bacterial endotoxin in mice deficient in prostaglandin E receptor EP1 and EP3 subtypes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100, 4132-4137 (2003)
7. Kabashima, K. et al. Prostaglandin E2-EP4 signaling facilitates initiation of skin immune response by regulating Langerhans cell migration and maturation. Nature Med., 9, 744-749 (2003)
8. Kabashima, K. et al. Thromboxane A2 modulates dendritic cell-T cell interaction and regulates acquired immunity. Nature Immunol., 4, 694-701 (2003)
9. Kunikata, T. et al. Suppression of allergic inflammation by the prostaglandin E receptor subtype EP3. Nature Immunol. 6, 524-531 (2005)