代替文=|サムネイル|400x400ピクセル|タバコNicotiana tabacumの葉緑体DNAの遺伝子地図。内側にラベルされた遺伝子はDNAのB鎖、外側にラベルされた遺伝子はA鎖に位置している。 色素体DNA（しきそたいDNA、）もしくは葉緑体DNA（ようりょくたいDNA、、略称: cpDNA）は、一部の真核生物に存在する細胞小器官である色素体（光合成を行う葉緑体など）に位置するDNAである。他に、アピコプラストなど縮小した色素体の一部にも存在する。葉緑体やその他の種類の色素体には、細胞核に存在するものとは異なるゲノムが含まれている。葉緑体中にDNAが存在することは1959年に生化学的に明らかにされ、1962年に電子顕微鏡観察によって確認された。さらに葉緑体にはリボソームも含まれており、タンパク質合成が行われていることが発見され、葉緑体が遺伝的に半自律的な細胞小器官であることが明らかにされた。葉緑体ゲノムの配列は1986年に、杉浦昌弘らによってタバコNicotiana tabacum、小関治男らによってゼニゴケMarchantia polymorphaのものがそれぞれ決定された。以後、さまざまな生物種由来の数万種類の葉緑体ゲノムの配列が決定されている。
分子構造
葉緑体DNAは環状であり、一般的な長さは120,000–170,000塩基対である。径路長は30–60 μm、重量は80–130 MDaである。
大部分の葉緑体ではゲノムは1つの大きな環状DNAへと組み込まれた形となっているが、特筆すべき例外として、渦鞭毛藻の葉緑体ゲノムは約40個の小さなプラスミド（それぞれ2,000–10,000塩基対程度の長さ）へと分割されている。こうしたミニサークルと呼ばれる小さな環状DNAには、それぞれ1つから3つの遺伝子が含まれている。
葉緑体DNAは長らく環状構造であると考えられてきた一方で、線状構造の方がより一般的であることを示唆する証拠も一部で得られている。トウモロコシの葉緑体では、葉緑体DNAの95%以上が環状構造ではなく分岐した線状構造で存在していることが観察されている。
逆位反復配列 多くの葉緑体DNAには2つ（1対）の逆位反復配列（inverted repeat、IR）が存在し、これらによって大単一コピー（long single copy、LSC）領域と小単一コピー（short single copy、SSC）領域が隔てられている。
IRの長さには、4,000塩基対から25,000塩基対まで大きな幅がみられる。植物のIRの長さはこの範囲の上限付近、20,000–25,000塩基対程度であることが多い。多くの場合IRには3つのリボソームRNA遺伝子と2つのtRNA遺伝子の計5つの遺伝子が含まれているが、遺伝子数は4つにまで縮小している場合や、150個以上存在している場合もある。対をなすIRの配列が完全に同一であることはほとんどないものの、常に互いに非常に類似した配列となっており、これらはによって生じたようである。
陸上植物の間ではIRは高度に保存されており、変異はわずかしか蓄積していない。類似したIRは藍藻や他の2つの葉緑体系統（灰色藻、紅藻）のゲノムにも存在しており、葉緑体への変化に先んじて生じたことが示唆されるが、エンドウやいくつかの紅藻の葉緑体DNAではIRは失われている。またの紅藻ではIRの1つの向きが反転しており、直列反復配列となっている。IRの一部を喪失した葉緑体DNAでは組換えがより多く起こる傾向があることから、これらの配列は葉緑体ゲノムの残りの部分の安定化に寄与している可能性がある。
核様体
各葉緑体に含まれる葉緑体DNAは、若い葉では約100コピー存在しているが、古い葉では15–20コピーにまで減少する。通常、葉緑体DNAは核様体へとパッケージングされている。各葉緑体には多くの核様体が存在し、そのそれぞれに同一な環状葉緑体DNAが複数個含まれている。
葉緑体DNAはヒストンを結合していないものの、紅藻では葉緑体DNAにコードされているヒストン様葉緑体タンパク質によって各環状葉緑体DNAが核様体構造へと強固にパッケージングされることが知られている。
原始的な紅藻では葉緑体DNAの核様体は葉緑体中心部に密集しているが、緑色植物では核様体はストロマ全体に分散して存在している。
DNA複製
複製の主要なモデル
葉緑体DNAの複製機構に関して決定的な結論が得られているわけではないが、主要な2つのモデルが提唱されている。
電子顕微鏡を用いて葉緑体DNAの複製を観察しようとする試みは、1970年代から行われてきた。その結果、葉緑体DNAの複製が2つのDループを用いて行われているというアイデアが導かれた。Dループが環状DNAを進行するにつれて、 Cairns replication intermediateとも呼ばれるθ型の中間型構造となり、そしてローリングサークル機構によって複製が完結する。複製は特定の起点から開始され、複数の複製フォークがDNAを開くことで複製装置によるDNA複製が可能となる。複製が継続されている間は複製フォークは進行し、そして最終的には複製フォークどうしが出合って収束する。新たな葉緑体DNA構造は分離し、娘葉緑体染色体となる。
このモデルは初期の顕微鏡観察だけでなく、葉緑体DNAで観察される核酸塩基の脱アミノ化の量からも支持される。塩基に脱アミノ化が生じることで、塩基の変化が生じる変異となる場合がある。アデニン（A）は脱アミノ化されると、ヒポキサンチン（H）となる。複製に際してヒポキサンチンはシトシン（C）と対合し、このHC塩基対がさらに複製されるとシトシンはグアニン（G）と対合してGC塩基対となるため、A→Gへの塩基変化が生じることとなる。葉緑体DNAでは、A→Gへの変化の頻度には勾配がみられる。DNAが脱アミノ化に対して感受性となるのは、一本鎖状態のときである。複製フォークが形成された際、複製されていない鎖は一本鎖状態となり、脱アミノ化の危険性にさらされた状態となる。そのため、脱アミノ化頻度の勾配は複製フォークが存在する可能性の高さと開いていく方向性を反映したものとなる。すなわち、開始部位の近傍は最も長い期間一本鎖状態となるため、最も脱アミノ化頻度が高くなる。
代替的モデル 上述の機構は今日でも最も有力な仮説であるが、もう1つの仮説では大部分の葉緑体DNAは実際には線状構造で存在しており、相同組換えを介して複製が行われることが示唆されている。さらに、環状染色体の状態で維持されているのは遺伝物質のごく一部のみであり、残りの部分は分岐構造や線状構造、もしくは他の複雑な構造となっているという主張がなされている。
こうした競合モデルの中で主要なものの1つでは、大部分の葉緑体DNAは線状で相同組換えが行われており、バクテリオファージT4と類似した複製構造を有すると主張されている。トウモロコシなど一部の植物に線状の葉緑体DNAが存在し、また未解明のより複雑な構造が存在することに関しては確定的な証拠が得られているが、今日においても大部分の葉緑体DNAは環状であるというのが支配的な見方である。葉緑体DNAに関する当初の実験においても線状構造の存在は観察されていたが、これらは環状構造が壊れたものであるとされていた。こうした実験で観察されていた分岐構造や複雑な構造が、環状DNAが連結されたものや壊れたものといった実験的アーティファクトではなく、実際に生体内に存在しているものであるとしたら、上述のDループによる複製機構はこうした構造体の複製の説明には不十分である。一方で、相同組換えによる複製では葉緑体DNAにおいて複数のA→G置換勾配が観察されることは説明できず、この点は線状構造仮説の現時点での最も大きな弱点となっている。
色素体DNAの遺伝子とその発現 33,000種以上の葉緑体ゲノムが配列決定され、NCBIのオルガネラゲノムデータベースにおいてアクセス可能な状態である。葉緑体ゲノムが初めて配列決定されたのは1986年であり、タバコとゼニゴケのものが決定された。そして藍藻の遺伝子配列とシロイヌナズナの葉緑体ゲノムの配列比較により、葉緑体の起源が内部共生によるものであることが確証された。また、葉緑体の起源となった藍藻の祖先から宿主の核ゲノムへ、かなりの量の遺伝子の移行が生じていることも示された。
大部分の植物では、葉緑体ゲノムには約120の遺伝子がコードされている。遺伝子は主に光合成装置の構成要素やその発現、組み立てに関わる因子をコードしている。陸上植物の中では、葉緑体ゲノムにコードされている遺伝子のセットはかなり保存されており、4つのリボソームRNA、約30種類のtRNA、21種類の、葉緑体の遺伝子発現に関与するRNAポリメラーゼ複合体の4つのサブユニットが含まれている。また、Rubiscoの大サブユニット、光合成に関わる28種類のチラコイドタンパク質も葉緑体DNAにコードされている。
ゲノムの縮小と遺伝子移動
共生の開始以降、葉緑体ゲノムの多くの部分はendosymbiotic gene transfer（EGT）と呼ばれる過程によって宿主の核ゲノムへと移動した。その結果、自由生活を行っている藍藻のゲノムと比較して、葉緑体ゲノムは大幅に縮小している。藍藻のゲノムには多くの場合1500以上の遺伝子が存在しているのに対し、葉緑体ゲノムに存在する遺伝子は60–100個である。寄生性植物であるPilostyles属では、色素体のtRNA遺伝子までもが失われている。反対に、細菌を含むさまざまな供与者から葉緑体へ遺伝子が移動した例はわずかしか知られていない。
EGTは、多くのクロムアルベオラータ系統において失われていった葉緑体について知る手がかりとなる。葉緑体が最終的に失われた場合であっても、それ以前に宿主の核に移動した遺伝子は存在し続け、失われた葉緑体が存在していたことの証拠となる。一例として、珪藻（ストラメノパイルに属する）は現在では紅藻由来の葉緑体を有するが、珪藻の核ゲノムには緑藻由来の多くの遺伝子が存在しており、珪藻の祖先は（そしておそらく全てのクロムアルベオラータも）いずれかの時点では緑藻由来の葉緑体を保持しており、その後で紅藻由来の葉緑体に置き換わったことの証拠となっている。
陸上植物では核DNAの11–14%程度は葉緑体に遡ることができる。シロイヌナズナでは最大で18%であり、これは4,500のタンパク質コード遺伝子に相当する。陸上植物における葉緑体DNAから核ゲノムへの移動は、近年でもいくつか生じていることが知られている。
コードされているタンパク質 葉緑体内に存在する約3000種類のタンパク質のうち、95%程度は核の遺伝子にコードされている。葉緑体のタンパク質複合体の多くには、葉緑体ゲノムにコードされているサブユニット、そして核ゲノムにコードされているサブユニットの双方が含まれている。そのため、葉緑体遺伝子と核遺伝子の間で協調的なタンパク質合成が必要である。葉緑体はほぼ核の制御下に置かれているが、葉緑体が核内での遺伝子発現を調節するシグナルを発する、逆行性シグナル伝達も存在する。
タンパク質合成 葉緑体内でのタンパク質合成は、葉緑体自身のゲノムにコードされているRNAポリメラーゼによる転写に依存している。このRNAポリメラーゼは細菌のものとの関連性がみられる。また、葉緑体には核ゲノムにコードされている未同定のRNAポリメラーゼも存在している可能性がある。これら2つのRNAポリメラーゼは葉緑体ゲノム内の異なる種類のプロモーターを認識して結合する。葉緑体内での翻訳を担うリボソームも細菌のものと類似している。
RNA編集 RNA編集は、タンパク質への翻訳に先立ってmRNA転写産物にヌクレオチドの挿入、欠失、置換が行われる現象を指す。葉緑体の内部は非常に酸化的な環境であるため変異率が高く、そのため機能的な配列を保存するためには転写後修復が必要となる。葉緑体内においてRNA編集を担うタンパク質複合体であるエディトソーム（editosome）は、転写産物上の特定の部位において、非常に特異性の高い形でC→U、U→Cへの置換を行う。この編集はコドンを変化させたり、またAUG開始コドンの導入やUAA終止コドンの除去によって非機能的な偽遺伝子を機能的遺伝子に戻す役割を果たしている。
エディトソームは編集部位上流のシス配列を認識して結合する。結合部位と編集部位の距離はエディトソームを構成するタンパク質によって変化する。このRNA編集過程には、核ゲノムにコードされている数百種類のが関与している。PPRタンパク質は35アミノ酸からなる反復配列を持ち、編集される転写産物のシス結合部位を決定している。
苔類、蘚類、シダ類など陸上植物の基部に位置する生物では編集部位は数百か所存在するのに対し、被子植物では一般的に30–40か所である。Epifagus virginianaなどの寄生性植物ではRNA編集は失われており、その結果光合成遺伝子は機能を喪失している。
核に移動した遺伝子の発現
多くの葉緑体遺伝子が核へ移動しているということは、葉緑体内で翻訳されることが想定されていた多くの葉緑体タンパク質が現在では細胞質で合成されていることを意味している。こうしたタンパク質は葉緑体へ送られ、葉緑体の2つの膜を越えて搬入を行う必要がある。
一方で、核へ移動した遺伝子のタンパク質産物の約半数は現在では葉緑体へ送られない。こうしたタンパク質の多くはを行っており、細胞分裂、タンパク質の選別、疾患耐性など、新たな機能に従事している。いくつかの葉緑体遺伝子はミトコンドリアゲノムに新たな居場所を見つけており、その大部分は非機能的な偽遺伝子となっているものの、いくつかのtRNA遺伝子はミトコンドリア内で機能している。核へ移行した葉緑体遺伝子のタンパク質産物の一部は、分泌経路へ差し向けられる。二次色素体の多くは最も外側は宿主由来の細胞膜によって囲まれており、そのためトポロジー的には細胞外であり、細胞質基質から葉緑体へ到達するためには、細胞外空間へ向けられるタンパク質と同じように細胞膜を越える必要がある。こうしたケースでは、葉緑体へ向けられるタンパク質はまず分泌経路を移動する。
葉緑体を獲得した細胞には既にミトコンドリア（さらにはペルオキシソーム、そして分泌のための細胞膜）が存在していたため、葉緑体の宿主は葉緑体タンパク質が誤ったオルガネラへ送られることを防ぐよう、新たなタンパク質ターゲティングシステムを発達させる必要があった。
細胞質基質における翻訳と搬入 核遺伝子によってコードされている葉緑体タンパク質の多く（全てではない）では、N末端に切断可能なトランジットペプチド（transit peptide）と呼ばれるシグナルペプチドが付加されており、ポリペプチドの葉緑体への搬入を指示するために用いられている（N末端のトランジットペプチドはミトコンドリアへの搬入に利用される場合もある）。葉緑体へのトランジットペプチドは、長さやアミノ酸配列の面では非常に多様である。長さの範囲は20アミノ酸から150アミノ酸にまで及び、この異例の長さはトランジットペプチドが実際にはさまざまな機能を有するドメインの組み合わせであることを示唆している。トランジットペプチドは正に帯電している傾向があり、セリン、スレオニン、プロリンといったアミノ酸に富む一方、アスパラギン酸やグルタミン酸のような酸性アミノ酸残基は少ない。トランジットペプチドは水溶液中ではランダムコイルを形成している。
一方で、核遺伝子にコードされている全ての葉緑体タンパク質がN末端に切断可能なトランジットペプチドを有しているわけではない。いくつかのタンパク質では、そのタンパク質自体の機能的一部の中にトランジット配列が存在している場合がある。また、N末端ではなくC末端にこうした配列が存在している例もいくつか存在する。こうしたN末端にターゲティング配列を持たないタンパク質の大部分は葉緑体の外膜へ送られるものであり、加えて内膜に送られるものが1種類同定されている。
葉緑体へ送られるタンパク質は細胞質基質のリボソームによって合成された後、トランジットペプチドの多く（全てではない）がリン酸化される。リン酸化される残基は多くの場合セリンやスレオニンである（これらはトランジットペプチド中に非常に多く、配列の20–30%を占める）。リン酸化を行う酵素は葉緑体タンパク質に対して特異的に作用し、ミトコンドリアやペルオキシソームへ送られるタンパク質に対しては作用しない。
リン酸化はペプチドの形状を変化させ、14-3-3タンパク質がペプチドに結合しやすい状態となる。植物では、14-3-3タンパク質は葉緑体へ送られる前駆体タンパク質にのみ結合する。また、熱ショックタンパク質Hsp70も結合し、ポリペプチドが葉緑体への搬入より前にフォールディングしてしまうことのないように維持している。これによって、葉緑体タンパク質が細胞質基質において活性型となって葉緑体内での機能を発揮することが防止されている。それと同時に、熱ショックタンパク質や14-3-3タンパク質は、ポリペプチドの葉緑体への搬入を容易にする複合体を形成している。トランジットペプチドを有する前駆体タンパク質はGTPによって調節された形で、葉緑体外膜の、内膜のと呼ばれるトランスロコンを通過し、ストロマへ移行する。トランジットペプチドはストロマにおいて切断され、成熟型葉緑体タンパク質は正しい形へフォールディングして機能を発揮する。また葉緑体前駆体タンパク質のトランジットペプチドがリン酸化されなかった場合でも、熱ショックタンパク質やToc159に結合してTOC/TICを通過する経路も存在している。
出典
関連項目 ミトコンドリアDNA