ピレノイド

ピレノイドは細胞内の微小区画で、多くの藻類の葉緑体^[1]や、陸上植物の一種であるツノゴケ類^[2]に見られます。ピレノイドは炭素濃縮機構（CCM）の働きに関係しています。その主な機能は、光合成酵素リブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ（RuBisCO）の周囲に二酸化炭素（CO _{2 ）}が豊富な環境を生成し維持することで、二酸化炭素固定の中心として機能することです。そのため、ピレノイドはシアノバクテリアのカルボキシソームと類似した役割を果たしているようです。

藻類は、水生生息地であっても水性環境に限定されており、これは光合成のためのCO _{2へのアクセス能力に影響を及ぼします。CO 2 は、}空気中よりも水中で 10,000 倍遅く拡散し、平衡に達するのも遅いです。この結果、媒体としての水は、多くの場合、CO ₂が枯渇しやすく、空気からCO _{2 を}獲得するのが遅くなります。最後に、CO _{2 は}水に溶解すると重炭酸イオン (HCO ₃ ⁻ ) と平衡に達しますが、これはpH依存的に起こります。たとえば海水中の pH は、溶存無機炭素 (DIC) が主に HCO ₃ ⁻の形で存在するような値です。この結果、遊離 CO _{2の濃度が低くなり、藻類 RuBisCO が}最大速度の 4 分の 1 で動作するのにほとんど不十分となり、そのため CO _{2 の}利用可能性は、藻類の光合成の大きな制限となる場合があります。

ピレノイドは1803年にVaucher ^[3]によって初めて記述されました（Brownら^[4]に引用）。この用語を最初に作ったのはSchmitz ^[5]で、彼はまた藻類の葉緑体が細胞分裂中に新たに形成される様子を観察し、Schimperに葉緑体は自律的であると提唱させ、すべての緑色植物は「無色の生物と均一にクロロフィルを帯びた生物の統合」によって発生したと推測させました。^[6]これらの先駆的な観察から、Mereschkowski は20世紀初頭に共生理論と葉緑体の遺伝的独立性を提唱しました。

その後の半世紀、藻類学者はピレノイドを分類上のマーカーとしてよく使用しましたが、生理学者は長い間、水中光合成におけるピレノイドの重要性を理解していませんでした。1980年代初頭まで支配的だった古典的なパラダイムは、ピレノイドがデンプン合成の場所であるというものでした。^[7]顕微鏡観察は、ピレノイドがデンプン鞘に囲まれていることが多いため、簡単に誤解を招きます。緑藻クラミドモナス・ラインハルティにおける正常なデンプン粒を持つピレノイド欠損変異体^[8]と、完全に形成されたピレノイドを持つデンプン欠損変異体の発見により、[ ^9]この仮説は最終的に信用を失いました。

ピレノイドのタンパク質としての性質が解明されたのは、1970年代初めになってからで、緑藻からピレノイドを単離することに成功し、^[10]最大90%が生化学的に活性なRuBisCOで構成されていることが示されました。その後の10年間で、藻類が細胞内にDICを蓄積し、これを周囲の培地の濃度をはるかに超える濃度のCO ₂に変換する能力があるという証拠が次々と出てきました。BadgerとPriceは、ピレノイドの機能がシアノバクテリアのカルボキシソームの機能に類似しており、CCM活性と関連していると初めて示唆しました。^{[11]藻類とシアノバクテリアの光合成細菌の地衣類群におけるCCM活性も、ガス交換と}炭素同位体識別を使用して特定され^{[12] 、Palmqvist [13]}とBadgerらによってピレノイドと関連付けられました。 ^[14]ホーンワートCCMは後にスミスとグリフィスによって特徴付けられました。^[15]

それ以来、ピレノイドは藻類の炭素獲得というより広い文脈で研究されてきましたが、正確な分子定義はまだ与えられていません。

ピレノイドの形態と超微細構造は、藻類の種によって大きく異なります。すべてのピレノイドに共通する特徴は、主に RuBisCO で構成された球状の基質です。^[10]ほとんどのピレノイド含有生物では、ピレノイド基質はチラコイド膜によって貫通されており、チラコイド膜は間質チラコイドと連続しています。単細胞の紅藻Porphyridium purpureumでは、個々のチラコイド膜がピレノイドを貫通しているように見えます。^[16]緑藻Chlamydomonas reinhardtiiでは、複数のチラコイドがピレノイドの周辺で融合して、基質を貫通するより大きな細管を形成します。^{[17] [18]}カルボキシソームとは異なり、ピレノイドはタンパク質の殻 (または膜) によって区切られていません。デンプン鞘は、そのデンプンが葉緑体ではなく細胞質で合成される場合でも、ピレノイドの周辺に形成または沈着することが多い。^[19]

透過型電子顕微鏡で観察すると、ピレノイドマトリックスは葉緑体内でほぼ円形の電子密度の高い顆粒構造として現れる。初期の研究では、珪藻類Achnanthes brevipes ^[20]と渦鞭毛藻類Prorocentrum micans ^[21]のピレノイド内でRuBisCOが結晶配列していることが示唆された。しかし、最近の研究では、緑藻類クラミドモナスのピレノイドマトリックス内のRuBisCOは結晶格子ではなく、マトリックスが相分離した液体のような細胞小器官として振る舞うことが示された。^[22]

クラミドモナスの変異誘発研究では、RuBisCO の小サブユニットがピレノイド マトリックスの組み立てに重要であること、^[23]および RuBisCO の小サブユニットの 2 つの溶媒に露出したアルファ ヘリックスがそのプロセスの鍵となることが示されています。 ^[24] RuBisCO をピレノイドに組み立てるには、本質的に無秩序な RuBisCO 結合リピート タンパク質 EPYC1 が必要であることが示されており、これは複数の RuBisCO ホロ酵素を「リンク」してピレノイド マトリックスを形成すると提案されています。^{[25] EPYC1 と Rubisco を一緒にすると、生体内で}C. reinhardtiiピレノイドと同様の特性を示す相分離した液滴を再構成するのに十分であることが示されており、EPYC1 の「リンカー」としての役割をさらに裏付けています。^[26]

クラミドモナスピレノイドのプロテオームは特徴付けられており^[27]、数十のピレノイド関連タンパク質の局在とタンパク質間相互作用が体系的に決定されている。^{[28]ピレノイドに局在するタンパク質には、RuBisCOアクチバーゼ[29]} 、硝酸還元酵素^{[30] 、亜硝酸還元酵素[31]}などがある。

クラミドモナスでは、2つのタンパク質（LCIB/LCIC）の高分子複合体が、デンプン鞘の外側のピレノイドの周りに追加の同心円層を形成し、これがCO2漏出の障壁として、またはピレノイドから逃げるCO2を再捕捉する働きをしていると現在仮説が立てられてい_ます。 [ 32 ^]

ポルフィリジウムとクラミドモナスでは、単一の葉緑体に非常に目立つピレノイドが1つ存在し、光学顕微鏡で観察できる。対照的に、珪藻類と渦鞭毛藻類では、ピレノイドが複数存在することがある。クラミドモナスのピレノイドは、葉緑体分裂時に分裂することが観察されている。^{[33] [22]}分裂が起こらなかったまれなケースでは、ピレノイドが新たに形成されたようである。^[22]ピレノイドは、細胞分裂のたびに葉緑体ストロマに部分的に溶解し、この溶解した成分のプールは、分裂によって継承されない場合には、新しいピレノイドに凝縮されることがある。

_{CO 2}固定酵素を細胞内の微小区画に閉じ込め、その部位にCO _{2 を送達するメカニズムと組み合わせると、水性環境での光合成の効率が向上すると考えられています。CCM があると、RuBisCO による}無駄な酸素化よりもカルボキシル化が優先されます。ピレノイドと CCM の分子基盤は、モデル緑藻Chlamydomonas reinhardtiiで詳細に特徴付けられています。

^{ピレノイド[34] [35]}に依存する生物物理学的 CCM の現在のモデルでは、細胞膜、葉緑体膜、チラコイド膜の輸送体を介して、細胞外環境から RuBisCO 付近への重炭酸イオンの能動輸送が考慮されています。細胞周縁部、細胞質、葉緑体間質の炭酸脱水酵素は、主に重炭酸イオンの形で溶解した無機炭素の細胞内プールの維持に寄与していると考えられています。この重炭酸イオンはその後、ピレノイドを越えたチラコイドの内腔に送り込まれ、そこで常在する炭酸脱水酵素が重炭酸イオンを CO ₂に変換し、RuBisCO をカルボキシル化基質で飽和させると考えられています。異なる藻類グループが異なるタイプの CCM を進化させた可能性は高いですが、藻類の CCM は炭酸脱水酵素、無機炭素輸送体、および RuBisCO をパッケージ化するコンパートメントの組み合わせを中心に構成されていると一般的に考えられています。

ピレノイドは可塑性が非常に高い構造で、RuBisCOのパッケージングの程度はCCMの誘導状態と相関している。クラミドモナスでは、CCMが抑制されている場合、例えば細胞がCO2に富む環境に維持されている場合_、ピレノイドは小さく、マトリックスは構造化されていない。^[36]渦鞭毛藻類ゴニャウラックスでは、ピレノイドへのRuBisCOの局在は概日リズムによって制御されている。日中に細胞が光合成活性であるとき、RuBisCOは細胞の中心で複数の葉緑体に組み立てられるが、夜間にはこれらの構造は消える。^[37]

藻類のCCMは誘導性であり、CCMの誘導は一般に低CO2条件の結果である_。クラミドモナスCCMの誘導と制御は最近トランスクリプトーム解析によって研究され、3つの遺伝子のうち1つが環境中のCO2レベルの変化に応じてアップレギュレーションまたはダウンレギュレーションされることが明らかになった。_[ 38 ^]クラミドモナスの_CO2感知には「マスタースイッチ」が関与しており、これは2つの研究室によって共同発見された。^{[39] [40]この遺伝子Cia5/Ccm1は1,000を超える}_CO2応答遺伝子に影響を及ぼし^[41]、ピレノイドへのRuBisCOのパッキングの程度も調整する。

CCM は CO2 レベルが低い期間にのみ誘発されます_{。そして、CCM が誘発されるCO2}のトリガー レベルの存在が、ピレノイドのようなメカニズムの起源の可能性のある時期について研究者が推測するきっかけとなりました。

ピレノイドの起源についてはいくつかの仮説があります。車軸藻類の祖先が陸上に定着し、大型の陸生植物が出現したことで、_{二酸化炭素}濃度が劇的に低下し、同時に大気中の酸素_濃度が増加しました。この二酸化炭素濃度の急激な低下が_CCM発達の進化的推進力として作用し、その結果、大気中の二酸化炭素濃度の低下に直面しても二酸化炭素の供給率が光合成の制限要因にならないようにピレノイド[42]が生まれ_たと示唆され^ています。

しかし、別の仮説も提案されている。過去の二酸化炭素濃度の予測_によると、二酸化炭素濃度は、陸上植物の拡大期、つまり原生代約3億年前の時期に見られたのと同じくらい急激に低下した可能性があることが示唆されている。^[43]この場合、ピレノイドの発達につながる同様の進化圧力があった可能性があるが、この場合は、ピレノイドまたはピレノイドのような構造が発達し、その後_{二酸化炭素}濃度が上昇するにつれて失われ、植物が陸上に定着した時期に再び獲得または発達した可能性がある。比較的短い地質学的期間にわたるピレノイドの複数回の獲得と喪失の証拠は、ツノゴケ類で発見されている。^[2]

ピレノイドは藻類の系統に見られるが^[1] 、葉緑体が単一の共生関係から受け継がれたか（例えば、緑藻と紅藻だが、灰色藻にはない）、複数の共生関係から受け継がれたか（珪藻、渦鞭毛藻、円石藻、クリプト藻、クロララクニオ藻、ユーグレノゾア）は関係ない。しかし、一部の藻類グループにはピレノイドが全くない。「高等」紅藻と極限環境紅藻、緑藻のクロロモナス属とモウゲオティオプシス属、^[44]および「黄金藻」などである。ピレノイドは通常、分類上の指標としては不十分であると考えられており、何度も独立して進化してきた可能性がある。^[45]