ギラルディア

ギラルディア
Guillardia theta。核の位置と葉緑体の形状に基づいて細胞周期の各段階の代表的な細胞を示すDAPI染色画像。DIC 、微分干渉接触の画像、Chl、葉緑体の自己蛍光、Chl/DAPI、Chl と DAPI の合成画像。二重矢印は葉緑体分裂部位の狭窄を示しています。スケール バー = 5 µm
科学的分類
門:	クリプティスタ
クラス：	クリプト藻類
注文：	ピレノモナダ目
家族：	ジェミニゲラ科
属:	ギラルディア D. RA ヒル & R. ウェザービー
種：	G.シータ
二名法名
ギラルディア・シータ DRA ヒル & R. ウェザービー

ギラルディア属は、紅藻類との二次共生により得られた色素体を持つ海洋性二鞭毛 藻類の一種である。 ^[1]

ギラルディア属は、1960年代にコネチカット州でリチャード・ギラードによって最初に同定されましたが、記載されている種は1つだけです。^[2]この属は野生ではまれですが、培養がよく、最初の発見以来頻繁に研究されてきました。小細胞の一般的な形態はよく記述されており、他のクリプトモナドと多くの類似点を共有していますが、ペリプラズムの独特な構成を持っています。^[2] ギラルディアは、核、核形態、およびプラスチドゲノムの完全な配列が決定されている唯一のクリプトモナドです。 [ ^{2] [3] [4]}この知識により、葉緑体、祖先紅藻の核形態と核の間の遺伝子伝達、^[5]およびプラスチド内の光合成^[6]と細胞周期の遺伝子発現の調節に関するさらなる研究が促進されました。 ^[7]この属は生物学の分野を超えた研究でも重要です。ギラルディアは培養が容易でゲノムが配列されているため、クリプトモナスにおける二次共生と光合成の研究におけるモデル生物として利用されている。^[8]また、 2つの陰イオンチャネルロドプシンがギラルディア・シータから単離され、神経生物学研究への応用のため光遺伝学的阻害剤として利用されている。^[9]

もともとこの属は「クリプトモナス属シータ」または「鞭毛藻シータ」と呼ばれていました。^{[2] [4]}その後、ヒルとウェザービーによって、この属を最初に分離した研究者ロバート・ギラード博士にちなんでギラーディアと命名されました。 ^[2]

タイプ種: Guillardia theta ^[10 ]

クリプトモナドのGuillardia thetaは、1963年にコネチカット州でロバート・ギラード博士によって初めて単離され、海洋珪藻類の窒素の有機源に関するシンポジウムで「鞭毛藻類theta」と定義されました。^[2]それ以来、この生物は何度も培養に成功しています。1980年代初頭にCryptomonas thetaと呼ばれていたとき、鞭毛と独特の周皮質が記述されました。^{[11] [12]}これらの研究に続いて、プラスチド ゲノムがマッピングされ^[13]、ヒルとウェザービーが1990年に属に名前を付けて特徴付けました。^[2]その後、プラスチドゲノムは1999年に完全に配列決定され、^[3]プラスチドと紅藻類の共通の祖先が確認されました。これらの最初の研究以来、核形態とプラスチドの分裂のメカニズムとその制御^[14]や光合成色素^[15]のメカニズムと制御^[6]など、この生物の多くの他の側面が特定されています。培養で非常によく成長するので、Guillardia thetaはクリプトモナスの特性を調査する現代の研究でモデル生物として頻繁に使用されています。

野生では、Guillardia thetaは珍しいプランクトン性海洋生物であり、研究の大部分は培養により行われてきました。この属はもともとコネチカット州のミルフォード港で隔離され、最初の発見以来デンマークの他の1か所でのみ発見されています。^[2]ミルフォード港には、河口、干潟、海洋盆地、マリーナ、ビーチ、湿地、海岸などの多くの個別の領域が含まれており、さまざまな生物の生息地となっています。^[16]正確な隔離場所は記録されていませんが、この属は海洋盆地の静水で植物プランクトンとして増殖すると考えられています。 ^[1]

A. ラーセンは、デンマークのワッデン海で野生のギラルディアを確認した唯一の研究者です。しかし、これはヒルとウェザービーとの個人的な通信を通じてのみ明らかにされ、公表されることはありませんでした。 ^{[2]もう一つの北部の海洋生息地であるワッデン海は、地元の生態系に}河口、開水域、湿地、砂浜の生息地を提供する砂州  の集合体で構成されています。 ^[17]

この属は野生では比較的まれであるため、生態系におけるその役割はよくわかっていません。Guillardiaは2つのプラスチドを持つ光合成植物プランクトンであり、システム内の一次生産における役割を示唆しています。 ^[1]さらに、培養された繊毛虫は本属の捕食者として知られており、水生システム内でGuillardiaが獲物としての役割を果たしていることを示唆しています。海洋、汽水、淡水環境に共通するよく研究された食栄養性繊毛虫であるMesodinium pulexは、 Guillardia thetaの培養物を摂取して成長しました。^[18]

Guillardia属の形態はよく記述されている。細胞は背腹方向に扁平で、長さは約 7-11 μm である。^[2]クリプトモナド属の一員として、前方の食道を持ち、核と核小体、ピレノイドを伴う2 裂した 4 つの膜で覆われたプラスチド、プラスチドと密接に関連する核形質、ミトコンドリア、2 つの鞭毛を伴うゴルジ装置、デンプン沈着物、および食道とペリプラスト上のエジェクトソームを含む。^[1]ペリプラズムの構造は、結晶サブユニットでできた不規則なプレートで構成された薄いシートの層であり、この属を定義する特徴である。Guillardiaの内側のペリプラズムは、細胞膜に隣接する 1 枚のシートから成り、他のクリプトモナドの内側のペリプラズムは均一な形状のプレートでできている。^[1]どちらのタイプのペリプラズムでも、周辺のエジェクトソームはペリプラズムの下に小胞状に配置されており、非結晶性物質がペリプラズムと細胞膜を隔てています。^{[1] [2]}

ギラルディアや他のクリプトモナスのエジェクトソームは、主に防御と回避のために細胞の食道の内側に使用されています。ギラルディアでは、不均一な細長いストランドが小胞内にありますが、ストランドの長さは他のクリプトモナス属によって異なります。ストランドの長さは200 nmから3.6 μmの範囲です。急激なpH変化、浸透圧変化、光強度変化などの外部ストレスに反応して、コイルが小胞から周囲の環境に飛び出します。エジェクトソームストランドが他の生物などの物体に衝突すると、ギラルディアは捕食者を回避するために不均一な後方運動をします。^[8]

ギラルディアのプラスチドは、紅藻細胞の二次共生から生じた。他のクリプトモナスと同様に、ギラルディアは、藻類の共生生物の核を核形態の形でペリプラスチドコンパートメント内に保持し、プラスチド複合体を囲む4つの膜を保持するため、二次共生を理解する上で重要である。^[1]最外膜は、祖先の食作用小胞の名残であると仮定されており、ギラルディアの小胞体と連続している。小さなペリプラスチド細胞質も、核形態に局在するチューブリン遺伝子により、細胞骨格の成分を保持していると仮定されている。^[19]多くのプラスチドタンパク質は核形態に残るが、宿主核への共生遺伝子転移を受けたものは、二分されたN末端シグナル配列との共翻訳転座によって最外膜を介して標的に戻される。 ^{[2] [7]}タンパク質が通過する後続の各膜は、独自の転座メカニズムを保持する。プラスチド内には真核生物のリボソームとデンプン顆粒で満たされたピレノイドも含まれており、ここで酵素RUBISCOによって_CO2固定が行われる。^[1]

他のクリプトモナス類と同様に、プラスチド葉緑体の集光性色素はフィコビリタンパク質とクロロフィル a/c結合タンパク質であり、紅藻類の系統に見られるものと相同である。紅藻とは異なり、ギラルディアのフィコビリタンパク質アンテナは、藻類の光合成特性であるチラコイド膜に関連する大きなアンテナではなく、チラコイド腔内に小さな可溶性タンパク質複合体として局在している。^[15]ギラルディアで光合成色素を制御するために使用されるメカニズムは、成長段階に応じて異なる。対数成長段階では、ギラルディアは状態遷移を使用してエネルギー入力を変調し、定常成長段階では、細胞は非光化学的消光を使用して、植物や藻類を高光強度から保護するメカニズムを使用する。^[7] Guillardiaの異なる成長段階でエネルギー入力を制御する2つのメカニズムが異なる理由は不明である。

運動は主に2本の非対称な鞭毛によって行われ、最長の鞭毛は食道から前方に突き出ており、短い鞭毛は細胞の後部を向いている。^{[1]根柱と根小根系も}Guillardiaの運動に寄与している。^{[11]興味深いことに、アニオン}チャネルロドプシンを組み込んで運動反応を開始するGuillardia thetaの光走性機構は、神経科学の分野で光遺伝学的阻害剤として使用されている。^[9]

ギラルディア属は適切に無性分裂するために、細胞だけでなく、プラスチドの核形体と葉緑体も複製する必要がある。 ^[1]この属は有糸分裂によって分裂し、有性分裂は観察されていないが、減数分裂に関連する遺伝子が核内に見つかっており、有性分裂する能力があることを示唆している。^[5]ギラルディア属の有糸分裂はプラスチド分裂後に始まり、有糸分裂紡錘体の形成と基底小体および鞭毛分裂の開始を伴う。他の多くの鞭毛原生生物と同様に、既存の鞭毛は両方とも娘運動鞭毛になり、新しい基底小体は鞭毛変形によって後続鞭毛に発達する。中期を通じて、核膜が溶解してトンネルのあるクロマチンプレートが形成される。後期には、微小管紡錘体がプレートトンネルを通り抜けてクロマチンに付着し、プレートを2つに分割する。^[1]核膜の残骸は有糸分裂紡錘体に隣接し、有糸分裂中ずっと小胞体と接触しているように見える。^[14]ギラルディアでは中期と後期に細胞質分裂が起こり、微小管構造の代わりに薄い非晶質層が形成される。[ ^1]

前前期には鞭毛分裂に先立ってプラスチド分裂が起こり、核形態体と葉緑体分裂はともにギラルディア細胞周期ごとに1回起こる。^[1]プラスチド分裂は、プラスチドの2つの葉を繋ぐ背側橋の狭窄によって起こる。葉緑体分裂が完了する前に、核形態体は内側と外側の核形態体膜を陥入させることで分裂する。^[14]葉緑体、核形態体、宿主細胞の分裂の同期は、紅藻類の共生生物が細胞小器官へと進化する上で極めて重要である。核にコード化された核形態体ヒストンH2A mRNAはS期に蓄積し、核形態体の複製と分裂を制御する遺伝子は絶えず発現している。^[6]これは、共生細菌が複製周期依存性転写を制御する能力を失ったが、宿主核細胞周期依存性遺伝子の制御が核形態体と葉緑体の複製と分裂を制御していることを示唆している。

Guillardia theta は、ゲノムが完全に配列された最初のクリプトモナスでした。その核は半数体で、四倍体の核形体と、コピー数の多いミトコンドリアとプラスチドを持っています。^[20]最初の配列決定以来、プラスチドと核形体のゲノムも配列決定され、マッピングされ、プラスチドの藻類の祖先と属の分類学上の歴史をよりよく理解することができました。^[1]  核ゲノムは約87メガ塩基対の大きさで、21,000の予測タンパク質をエンコードしており、57％は完全にユニークで、他の生物に相同性が知られていません。 ^{[1] [5]ゲノムには、}膜内システム、転写、RNAの処理と翻訳、翻訳後修飾、タンパク質のターンオーバー、細胞骨格遺伝子など、真核生物の複雑さの特徴がほぼすべて含まれています。ギラルディアの核ゲノムには、多数のスプライソソームイントロンと、推定されるチロシンキナーゼの大規模なファミリーがあることも判明した。ギラルディアの核にある7451の遺伝子のうち、508は藻類の系統に由来すると判定された。^{[5]これらの遺伝子の大部分が}緑藻の系統に由来することを示唆するデータがあるにもかかわらず、多くのゲノムデータベースは緑藻の遺伝子に偏っている傾向があるため、この比較は信頼性が低い。^{[1] [5]}

ヌクレオモルフの配列決定により、487個のタンパク質遺伝子、少数のハウスキーピング遺伝子、プラスチドに標的とされる遺伝子のみを含む比較的小さなゲノムが明らかになりました。^[5]ヌクレオモルフのサイズが大幅に縮小され、ほぼ完全にペリプラスチジウム複合体へのタンパク質標的化に依存していることは明らかです。宿主の核ゲノムは、おそらくヌクレオモルフでの遺伝子発現を制御するように作用する転写関連タンパク質、および細胞複製に関連するDNA複製タンパク質とタンパク質キナーゼをコードしています。^{[1] [5] [8]}これらの遺伝子の宿主ゲノムへの移行は、プラスチド内部共生生物の自給自足の喪失を明確に示しています。しかし、核ゲノムとヌクレオモルフゲノムの両方の完全な配列決定は、内部共生生物の遺伝子移行を通じて、タンパク質がしばしば新しい機能を担い、異なるコンパートメントを占めることを示しているため、機能を進化の歴史に基づいて決定することはできません。ギラルディアのゲノムには、宿主の核、核形質、プラスチド、その他の外来藻類由来のタンパク質に由来する遺伝子が高度にモザイク化されている。^[5]

Guillardia thetaのプラスチドゲノムは、核形質を含む生物からのプラスチドとしては初めて物理的にマッピングされ、配列決定され、プラスチドの共生起源を解明した。^{[5] [1]}ゲノムは121キロ塩基対で構成され、そのうち4kbpはリボソーム生成のための2つのrRNAシストロンをコードしている。コーディング領域では、46の遺伝子が光合成、10の遺伝子が生合成、複製、分裂遺伝子、44の遺伝子が  リボソームタンパク質をコードし、7つが転写と翻訳に関与している。^[3]一部の遺伝子は重複しており、ゲノム内にイントロンが含まれないため、非常にコンパクトになっている。 ^{[13]さらに、紅藻類}Porphyra purpureaのプラスチドで特定されたものと同一のポリシストロン遺伝子 が多数存在する。^{[3]これは、}ギラルディアとポルフィラのプラスチドが共通の祖先であることを示唆している。

ギラルディア属は、藻類共生ゲノム学やその他多くのクリプトモナス研究のモデルクリプトモナスとして頻繁に利用されてきた。この属は培養が非常に良好であるため、核、核形、プラスチドゲノム全体の配列が決定された最初のクリプトモナスとなった。 ^{[1]このデータから得られた情報は、共生}紅藻プラスチドを含む原生生物系統に存在する二次共生のメカニズムを解明するのに役立った。^[3]分子配列に加えて、ギラルディア属生物のプラスチドに組み込まれた複製メカニズムと光合成メカニズムは、他のクリプトモナス種のモデルとしてよく研究されてきた。この属は、クリプトモナスのペリプラストデンプン合成を研究するためのモデルとしても使用され、ギラルディア シータペリプラストがデンプン合成にUDP-グルコースベースの経路を使用していることが実証された。^[21]

さらに、Guillardia theta由来の陰イオンチャネルロドプシンタンパク質は、オプトジェネティクスアッセイでニューロンの過分極を誘導することがわかっています。 ^[9]チャネルロドプシンは、藻類の光源に向かって鞭毛運動を誘導する光ゲート陰イオンチャネルです。ヒトの研究では、陰イオンチャネルロドプシンを使用して塩化物駆動型過分極を誘導し、特定の時点で標的のニューロンをサイレンシングすることができます。^[22]これにより、神経科学者は特定のニューロンを光抑制することで神経回路を研究できます。Guillardia で陰イオンチャネルロドプシンが発見される前は、ニューロンをオプトジェネティクスでサイレンシングする方法は、効果的で正確ではありませんでした。この発見は神経科学研究に非常に有用であり続けていますが、さらなる研究で、Rhodomonas salina の陰イオンチャネルロドプシンは、刺激からチャネル開口までの応答時間が短いことが実証されました。^[22]そのため、Guillardia のチャネルロドプシンは神経科学アッセイにそれほど頻繁に使用されなくなりました。

さらに、メソディニウム繊毛虫のような他の生物の培養や研究のための餌としても使われてきました。^{[8] [18]}