クラミドモナス・ラインハルディ

クラミドモナスレインハルディは、直径約10マイクロメートルの単細胞の緑藻で、2つの鞭毛と一緒に泳ぎます。ヒドロキシプロリンが豊富な糖タンパク質でできた細胞壁、大きなカップ型の葉緑体、大きなピレノイド、光を感知する目玉があります。

クラミドモナス種は、世界中の土壌と淡水に広く分布しています。 Chlamydomonas reinhardtiiは、特に培養が容易であり、遺伝学を操作する能力があるため、特によく研究されている生物学的モデル生物です。 C. reinhardtiiは光を当てると光合成独立栄養的に成長しますが、有機炭素が供給されると暗闇でも成長します。商業的には、 C。reinhardtiiはバイオ医薬品とバイオ燃料の生産に関心があり、水素を製造する際の貴重な研究ツールでもあります。

歴史

C. reinhardtii野生型実験室株c137（mt +）は、1945年にギルバートM.スミスによってマサチューセッツ州アマースト近くで作られた分離株に由来します。

種の名前は、ロシア語からの名前の音訳が異なるため、いくつかの異なる方法で綴られています。reinhardi 、 reinhardii 、およびreinhardtiiはすべて同じ種C. reinhardtii Dangeardを指します。

モデル生物

クラミドモナスは、次のような細胞生物学および分子生物学の基本的な問題に関する研究のモデル生物として使用されます。

• 細胞はどのように移動しますか？
• 細胞は光にどのように反応しますか？
• 細胞はどのようにお互いを認識するのですか？
• 細胞はどのように規則的で繰り返し可能な鞭毛波形を生成しますか？
• 細胞は鞭毛の長さを制御するためにどのようにプロテオームを調節するのですか
• 細胞はミネラル栄養の変化にどのように反応しますか？ （窒素、硫黄など）

C. reinhardtiiの多くの既知の変異体があります。これらの変異体は、べん毛の運動、光合成、タンパク質合成など、さまざまな生物学的プロセスを研究するための有用なツールです。 クラミドモナス種は通常半数体であるため、突然変異の影響はそれ以上交配せずにすぐに見られます。

2007年に、 C。reinhardtiiの完全な核ゲノム配列が公開されました。

チャンネルロドプシン-1およびチャンネルロドプシン-2、光依存性陽イオンチャネルとして機能するタンパク質は、元々 C. reinhardtiiから単離されました。これらのタンパク質やその他のタンパク質は、光遺伝学の分野でますます広く使用されています。

ミトコンドリアの意義

C. Reinhardtiiのゲノムは、ミトコンドリアをコードする13のタンパク質のうち6つの遺伝子が細胞の核に存在し、7がミトコンドリアに残る1つの種であるため、ミトコンドリアの研究にとって重要です。他のすべての種では、これらの遺伝子はミトコンドリアにのみ存在し、異所的に発現することはできません。これは、遺伝性ミトコンドリア病の治療法の試験と開発にとって重要です。

再生

ラインハルディ種の栄養細胞は、17個の小さな染色体を持つ半数体です。窒素飢Underのもとで、栄養細胞は半数体の配偶子に分化します。 2つの交配タイプがあり、外観は同一であるため同形であり、 mt（+）およびmt（-）として知られ、融合して二倍体接合体を形成することができます。接合子は鞭毛ではなく、土壌中の種の休眠形態として機能します。光の中で、接合体は減数分裂を経て、栄養のライフサイクルを再開する4つの鞭毛のある半数体細胞を放出します。

理想的な成長条件下では、娘細胞が古い細胞壁から培地に放出される前に、細胞は時々2回または3回の有糸分裂を受ける場合があります。したがって、単一の成長ステップでは、母細胞あたり4または8個の娘細胞が得られる場合があります。

この単細胞緑藻の細胞周期は、明期と暗期を交互に繰り返すことで同期できます。成長段階は光に依存しますが、遷移またはコミットメントポイントとして指定されたポイントの後、プロセスは光に依存しません。

遺伝学

モデル生物としての藻類の魅力は、パブリックドメインへのいくつかのゲノムリソースのリリースによって最近増加しました。米国エネルギー省のJoint Genome Instituteによって準備されたクラミドモナス核ゲノム配列のChlre3ドラフトは、合計120 Mbの1557個の足場を含む。ゲノムのおよそ半分は、すべて少なくとも1.6 Mbの長さの24の足場に含まれています。核ゲノムの現在のアセンブリはオンラインで入手できます。

〜15.8 Kbミトコンドリアゲノム（データベースアクセッション：NC_001638）は、NCBIデータベースでオンラインで入手できます。完全な〜203.8 Kb葉緑体ゲノム（データベース登録番号：NC_005353）はオンラインで入手できます。

ゲノム配列データに加えて、cDNAライブラリーおよび発現配列タグ（EST）として利用可能な発現配列データが大量に提供されています。 7つのcDNAライブラリがオンラインで利用可能です。 BACライブラリは、Clemson University Genomics Instituteから購入できます。 ESTが50,000以上および160以上の2つのデータベースがオンラインで利用可能です。

C. reinhardtiiのゲノムには、原核生物では一般的ですが、真核生物では非常にまれなN6-メチルデオキシアデノシン（6mA）が含まれていることが示されています。いくつかの研究により、 クラミドモナスの 6mAはヌクレオソーム間のリンカー領域と、活発に転写される遺伝子の転写開始部位の近くに存在するため、ヌクレオソームの位置決めに関与する可能性があることが示されています。

進化

クラミドモナスは、進化生物学と生態学のさまざまな側面を研究するために使用されてきました。 （1）世代時間が短い、（2）従属栄養生物および条件的独立栄養生物の両方である、（3）性的および無性的の両方で繁殖できる、および（4）なぜなら、すでに利用可能な豊富な遺伝情報です。

クラミドモナスで行われた進化的研究のいくつかの例（網羅的ではない）には、有性生殖の進化、突然変異の適応効果、およびさまざまなレベルのCO2への適応の効果が含まれます。

頻繁に引用される理論的仮説によれば、性的生殖（無性生殖とは対照的に）は良性環境で適応的に維持されます。なぜなら、異なる系統の有害な突然変異を組み合わせることで突然変異負荷を減らし、平均適合性を高めるからです。しかし、 C。reinhardtiiの長期実験研究では、この仮説と矛盾する証拠が得られました。性的集団では、突然変異のクリアランスが発生することはなく、フィットネスが増加することもありませんでした。

DNA形質転換技術

遺伝子形質転換は、主に葉緑体での相同組換えと核での異種組換えによって起こります。 C. reinhardtii葉緑体ゲノムは、微粒子銃またはガラスビーズ攪拌を使用して形質転換できますが、この最後の方法ははるかに効率が悪いです。核ゲノムは、ガラスビーズの攪拌とエレクトロポレーションの両方で形質転換されています。銃弾手順は、葉緑体ゲノムにDNAを導入する最も効率的な方法であると思われます。これはおそらく、葉緑体が細胞の体積の半分以上を占有し、微小発射体に大きな標的を提供するためです。エレクトロポレーションは、ガラスビーズ法を使用して得られるよりも2桁高い最大変換頻度でDNAを核ゲノムに導入する最も効率的な方法であることが示されています。

バイオ医薬品の生産

遺伝子操作されたクラミドモナス・ラインハルディは、哺乳動物の血清アミロイドタンパク質、ヒト抗体タンパク質、ヒト血管内皮成長因子、潜在的な治療用ヒトパピローマウイルス16ワクチン、潜在的なマラリアワクチン（食用藻類ワクチン）、および複雑なデザイナードラッグの生産に使用されていますそれは癌の治療に使用できます。

クリーンな水素生産源

1939年、当時シカゴ大学に所属していたドイツの研究者ハンスガフロン（1902〜1979）は、単細胞緑藻の水素代謝を発見しました。 Chlamydomonas reinhardtiiおよび他のいくつかの緑藻は、特定の状況下で、酸素の生成を停止し、代わりに水素の生成に変換できます。酸素の非存在下でのみ活性な酵素であるヒドロゲナーゼによるこの反応は短命です。次の30年にわたって、ガフロンと彼のチームは、藻類によるこの光合成水素生産の基本的なメカニズムを解明しました。

水素の生産を増やすために、研究者たちはいくつかの道をたどっています。

• 最初のトラックは、ヒドロゲナーゼを光合成から切り離すことです。このように、酸素の蓄積はもはや水素の生産を阻害できません。そして、酵素ヒドロゲナーゼの構造を変更することによりさらに一歩進んだ場合、ヒドロゲナーゼを酸素に対して非感受性にすることが可能になります。これにより、水素の連続生産が可能になります。この場合、この生産に必要な電子の流れは、もはや糖の生産からではなく、それ自体のデンプンの分解から引き出されます。
• 2番目の方法は、ヒドロゲナーゼの遺伝子操作、光合成プロセスを介して一時的に中断することです。これにより、酸素が水素の生成を停止できるレベルに達するのを抑制します。
• 主に1950年代に研究者によって調査された3番目のトラックは、藻類細胞の光合成活性によって生成されるO2の化学的または機械的除去方法です。これらには、O2スカベンジャーの追加、追加の還元剤の使用、および培養物の不活性ガスによるパージが含まれています。ただし、これらの方法は本質的にスケーラブルではなく、適用システムに適用できない場合があります。藻類の培養から酸素を除去するというテーマで新たな研究が登場し、スケーリングの問題が解消される可能性があります。
• 4番目のトラック、すなわち銅塩を使用して、ヒドロゲナーゼの作用を酸素生成から切り離す方法が調査されました。
• 5番目のトラックは、嫌気性藻類に短い光パルスを適用するか、CO2の培養液を枯渇させることにより、カルビンサイクルのCO2固定からヒドロゲナーゼへの光合成電子の流れを変更することが提案されています。

ノート

参考文献

青山、H。、黒岩、および中村、2009。 クラミドモナスの成熟および減数分裂中の生きている接合体におけるミトコンドリアの動的挙動。 ユーロ。 J. Phycol。 44 ：497-507。

Jamers、A.、Lenjou、M.、Deraedt、P.、van Bockstaele、D.、Blust、R. and de Coen、W. 2009.カドミウム暴露緑藻クラミドモナスレインハディティ （緑藻綱 ）のフローサイトメトリー分析。 ユーロ。 J. Phycol。 44 ：54-550。

外部リンク

• The Chlamydomonas Resource Center-「緑藻Chlamydomonas reinhardtiiの高品質で信頼性の高い野生型および突然変異体の培養、ならびに教育および研究用の有用な分子試薬およびキットを受け取り、カタログ化し、保存し、配布する中央リポジトリ。」
• 植物比較ゲノミクスポータル-エネルギー省共同ゲノム研究所からのクラミドモナスラインハーディリソース
• MD、ギリー。ギリー、GM（2008）。 「 クラミドモナス・ラインハルディ 」。 AlgaeBase 。世界的な電子出版物、アイルランド国立大学、ゴールウェイ。
• Chlamydomonas reinhardtii細胞、ライフサイクル、系統、交配タイプ-アーカイブデータベース。