生理学研究所、染色体に似た構造をシアノバクテリアの一種で発見し低温超高圧電子顕微鏡を用いて解明

染色体に似た構造をシアノバクテリアの一種で発見し低温超高圧電子顕微鏡を用いて解明


■内容
　生物は大きく核を持つものと持たないものに分けられます。私たちの細胞は核をもち、細胞が分裂する際に核が消えて染色体という構造になり、新しく生まれる２つの細胞に均等に分配されます。一方バクテリアは核を持ちません。細胞が分裂する際にも、染色体のようなはっきりとした構造体はこれまで確認されていませんでした。今回生理学研究所の村田和義准教授と埼玉大学の金子康子教授らの研究グループは、シアノバクテリアという光合成をするバクテリアの一種が、細胞分裂する際、染色体に似た構造を作ることを発見しました。そしてこの構造体を、分裂する直前の細胞を急速凍結することで捕まえ、低温超高圧電子顕微鏡という特殊な顕微鏡を使って詳細にその構造を明らかにすることに、世界で初めて成功しました。
　本研究結果は、Scientific　Reports誌に掲載されます（２８年１０月１２日午後６時オンライン版掲載）。

　シアノバクテリアは海や池に広く生息し光合成をするバクテリアの一種です。そしてシアノバクテリアは昼から夜に変わる瞬間に一斉に細胞分裂することが知られています。今回研究グループは、その一種である「シネココッカス＝エロンゲータス（Synechococcus　elongatus　PCC７９４２）」は、細胞分裂する際私たちの細胞の染色体に似た構造体を作ることを発見しました。そして特殊な低温超高圧電子顕微鏡を用いて、その構造を詳細に調べることに世界で初めて成功しました。シアノバクテリアを１２時間の明暗周期で５日間培養し、染色体に似た構造体が最もはっきり現れる明期から暗期に変わる瞬間に、−１７０°Cの液体エタンの中に入れて急速凍結しました。そして、これを凍ったまま低温超高圧電子顕微鏡（用語説明１）にセットし、氷が解けないような弱い電子線を照射して試料を傾斜しながら画像を撮影し、これを元にシアノバクテリアの三次元像をコンピューターで再構築しました（図１）。
　結果、通常遺伝子を含むシアノバクテリアの細胞質は、細胞壁の内側にあるチラコイド膜（用語説明２）層（図１：赤色で示す）のさらに内側に密接して広がっている（図１：青色で示す）のですが、分裂前の細胞では、染色体に似た構造が現れ、チラコイド膜層との間にはっきりとした隙間が出来ることがわかりました。また、シアノバクテリアは細胞質にポリリン酸体（図１：黒色の粒子）（用語説明３）とよばれる大きな顆粒を数個持っています。しかし、これが一体何をしているのか、その機能についてはこれまでほとんどわかっていませんでした。今回の解析から、このシアノバクテリアが染色体に似た構造体を作るのにともない、ポリリン酸体は分裂してその数を２倍に増やすことがわかりました（図１：黄色の粒子）。さらに、そのポリリン酸体から遺伝子のDNAがうず巻き状に形作られる様子が観察されました（図２の矢印）。染色体は分裂する細胞のために遺伝子が２倍に複製された構造体です。このDNAの複製にはたくさんのリン酸が必要になることから、ポリリン酸体がDNA複製のためのリン酸の供給源であると考えられます。
　通常バクテリアには、私たちの細胞のような遺伝子が膜に包まれた核はありません。分裂に際しても、染色体構造はとらず、２倍に複製された遺伝子DNAが細胞の成長にともない伸張する細胞膜にくっついて新しい細胞へと分配されることがわかっています。本研究では、シアノバクテリアの一種において、細胞分裂の際２倍に複製された遺伝子DNAが染色体に似た構造体を作り、分裂後の新しい２つの細胞に分配されていくことが明らかにされました。
　今回の成果は、バクテリアのような単純な生物がより複雑な生物へと進化するその一つの過程を表していると考えられ、私たちのような高等で複雑な生物がいつ、どのように作られてきたかをひも解くためのヒントになると期待されます。
　本研究は生理学研究所超高圧電子顕微鏡共同利用実験の支援を受けて行われました。

　※リリース詳細は添付の関連資料を参照