と して不 飽 和 脂 肪 酸 が 多 く含 ま れ る た め に膜 流 動 性 が 増 す こ とや ア ス タキ サ ンチ ンの 油 滴 が 多 くの 体 積 を 占 め る た め 細 胞 の 水 分 活 性 が 低 下 し,氷 形 成 に よる 損 傷 を抑 え る た め で は な い

Short Review

活性酸素により促進される藻類の

力ロテノイ ド生合成

古林万木夫

藻類においてシス トは,過 酷 な環境 ス トレスに対 して耐久性 を示 す唯一の細胞 形態 で あ り,陸 上植 物における種子集 団と同様 に,種 の生存戦 略に関与する細胞相で ある,氷 雪藻 類の1つ で あるHaematococcusは,シ ス ト形成 に伴 い有用な抗酸化 力ロテノイ ド色 素であ るアス タキサ ンチンを高濃度に生合成す る.強 光,高 温,高 食 塩濃度,乾 燥な どのさ まざまな環 境 ス トレス によりアスタキサ ンチ ン生合成 が促 進され,ア スタキサ ンチ ンを高濃度含有す るシス ト細胞 内 では活性酸素濃度 が低 レベルで維持されていた. 活性 酸素 力 ロテ ノイ ド 環境 ス トレス シス ト は じめ に 藻 類 に お い て,シ ス ト(cyst)と い う語 は 必 ず し も正 確 に 定 義 され て 使 用 され て い る わ け で は な い.本 来,シ ス トと は 袋状(嚢 状)の 構 造 を 意 味 す るギ リ シ ア語 で あ り, 一 般 的 な 了 解 と して_{,温 度,塩 分 濃 度,pHの 変 化,あ} る い は 乾 燥 とい っ た外 界 の 過 酷 な 環 境 条 件 に 対 して 生 理 的 に 耐 久 性 が 強 い か,あ る い は休 眠性 と い う性 質 を もつ 細 胞 を総 称 して い る1).た と え ば,小 さ な水 た ま りの 藻 類 が 干 上 が っ て で きた 緑 色 や 赤 色 の しみ や マ ッ ト,湖 底 や 海 底 の 泥 に 存 在 す る 藻 類 の 接 合 子 や 無 性 的 に形 成 され た 耐 久 胞 子 を,通 常 シス トと よ んで い る.残 念 な が ら, この よ うな 細 胞 相 に つ い て の 研 究,と く に生 理学 的 側 面 か らの 研 究 は 少 な く,現 象 面 で の 記 載 の段 階 に と ど ま っ て い る.シ ス トは 多 くの種 で 種 子 集 団 と して 機 能 す る た め に,生 存 戦 略 に 直接 関与 す る細 胞 相 で あ り,種 に と っ て 適応 的 意 義 が 大 きい.シ ス ト形 成 は,通 常 の栄 養 細 胞 の 分 裂 や 成 長 に比 べ て著 し く異 な る 生 物 現 象 で あ り,特 別 な代 謝 系 が 関 与 してい る はず で あ る.本 稿 で は そ の 一 例 と して,シ ス トにお け る カ ロ テ ノ イ ド生 合 成 に 関 す る 知 見 を 紹 介 した い. 1.自 然 界 にお け るシ ス ト 耐 久 性 の 休 眠 細 胞 と し て の シ ス トは,無 性 的 に 形 成 さ れ る 不 動 の 厚 膜 胞 子(akinete)と,有 性 生 殖 の 結 果 形 成 さ れ る 接 合 子(zygote)の 場 合 が あ る.こ れ ら の 例 と し て,淡 水 の 緑 藻 類 の オ オ ヒ ゲ マ ワ リ 目(Volvocales)に 属 す るHaematococcusに つ い て 話 を 進 め た い. こ の 藻 類 は 海 岸 か ら 山 頂 ま で 広 く 分 布 し,短 時 間 で 干 上 が る よ う な 小 さ な 水 た ま り に 生 息 し て い る.雨 が 上 が っ て 数 日後 に 小 さ な 水 た ま りが 赤 く 色 づ い て い れ ば,た い て い こ の 藻 類 で あ る.ま た,夏 に 高 山 を 登 る と,運 の よ い 登 山 者 は 残 雪 が 一 部 赤 く な っ て い る こ と に 気 づ く. こ の 赤 雪 は 登 山 者 た ち にwatermelonsnowと よ ば れ て お り,snowalgaeやcryoalgaeと 表 記 さ れ る 氷 雪 藻 類 が,球 状 の 休 眠 細 胞(シ ス ト)と し て 多 数 存 在 し て い る (図1a).シ ス トは 直 径 が 大 き い も の で50μmを こ え, カ ロ テ ノ イ ドが ク ロ ロ プ ラ ス トや 核 の 周 囲 に 油 滴 を 形 成 す る 形 で 生 合 成 さ れ る た め,鮮 や か な 赤 色 を 呈 し て い る.氷 雪 藻 類 は,ニ ュ ー ジ ー ラ ン ド,オ ー ス トラ リ ア, ヨ ー ロ ッ パ,北 米 で は ア ラ ス カ,カ ス ケ ー ド山 脈,シ エ ラ ネ バ ダ 山 脈,ロ ッ キ ー 山 脈 な ど の 標 高 の 高 い 山 か ら 100種 ほ ど 単 離 さ れ て お り,そ の 代 表 的 な も の にChlamy Makio Kobayashi, ヒガ シマ ル醤 油(株 〉研 究所 E-mail : mkobayashi@higashimaru.co.jp

Algal carotenoid biosynthesis enhanced by active oxygen under environmental stress

domonas やHaematococcusが あ る. こ れ らの 藻 類 は通 常 は 遊 泳 細 胞 と して分 裂増 殖 し,細 胞 の 周 りに は 透 明 な 寒 天 質 状 の 細 胞 壁 を もつ(図1b). この 栄 養 細 胞 を窒 素 や リ ンが 欠 乏 した 培 地 に移 す か,強 光 に さ らす と,寒 天 質 の 内 側 に厚 い 強 固 な細 胞 壁 を発 達 させ,や が て細 胞 は 遊 泳 を 停 止 して 無 性 的 に シ ス トを形 成 す る(図1c)1).シ ス トは,温 度,pH,塩 分 濃 度 の 変 化,乾 燥,栄 養 源 の 欠 乏 に 耐 え,過 酷 な 環 境 下 で 驚 くべ き耐 性 を示 す,た とえ ば,シ ス トを形 成 した培 養 株 や 自 然 乾 燥 した シ ス トは,数 年 間 放 置 した あ とで も発 芽 す る こ とが で きる.シ ス トが 形 成 され る 過 程 で細 胞 全体 が し だ い に赤 く染 まっ て い く現 象 が 見 られ る.こ れ は,ア ス タ キ サ ンチ ン(astaxanthin)を 主 成 分 と す る カ ロ テ ノ イ ドが 細 胞 質 内 に 蓄積 さ れ る た め で,大 量 に蓄 積 す る と血 の よ う な真 っ赤 な 色 に な る(図1d).こ れ がHaematococ cus の 名 前 の 由 来 で あ り,本 色 素 が ア ス タ キサ ンチ ン と 同 定 さ れ る 以 前 は,ヘ マ トク ロ ー ム(haematochrome) とよ ば れ て い た. ク ロ ロ プ ラス トの周 囲 に存 在 す る 高 濃 度 の ア ス タ キサ ンチ ンは 青 色 光 を強 く吸 収 す る た め,光 合 成 器 官 を強 光 か ら保 護 す る 日 よ け(sunshade)の 役 割 を果 た す 機 能 が あ る こ とが 明 らか に さ れ て い る2).Haematococcusは 炎 天 下 の 小 さ な水 た ま りに 生 息 して お り,し か も雨 水 な どの 栄 養 分 の乏 しい 環 境 で 生 存 して い る.シ ス トは こ の よ うな 環 境 で 強 光 と乾 燥 に 耐 え る 機 構 を 備 えて い る と考 え られ る.ま た,シ ス トに は 冷 凍 耐 性 もあ り,脂 質 成 分 と して不 飽 和 脂 肪 酸 が 多 く含 ま れ る た め に膜 流 動 性 が 増 す こ とや ア ス タキ サ ンチ ンの 油 滴 が 多 くの 体 積 を 占 め る た め 細 胞 の 水 分 活 性 が 低 下 し,氷 形 成 に よる 損 傷 を抑 え る た め で は な い か と考 え ら れ て い る3).Haematococcus の シス トは,適 正 な 条 件 に戻 して や る と数 日で 発 芽 して 元 の 遊 泳 細 胞 を放 出 す る.Haematococcusの 場 合,と く に休 眠 期 間 が 要 求 され る こ とは な く,増 殖 に適 切 な条 件 さ え与 え れ ば す ぐに 発 芽 が 開始 され,急 速 に細 胞 質 内 の カ ロ テ ノ イ ドを 消 失 す る. II.ア ス タ キサ ンチ ン ア ス タ キ サ ンチ ン は,エ ビ,カ ニ,マ ダイ,サ ケ な ど の 海 洋 生 物 に 含 まれ る赤 色 カ ロ テ ノ イ ド色 素 と し て も知 られ て お り(図2),こ れ らの体 色 や 肉 色 の発 現 に深 く関 与 して い る4).ア ス タ キ サ ンチ ンの 存 在 様 式 に は多 様 性 が あ り,た とえ ば ク ル マ エ ビ の場 合,カ ロ テ ノ イ ド色 素 と 蛋 白 質 の 複 合 体(carotenoprotein)と し て 存 在 す る た め,生 の 状 態 で は黒 色 を呈 して い る が,加 熱 に よ り色 素 と蛋 白 質 の 結 合 が 切 断 され る と赤 色 が 遊 離 して くる.ま た,マ ダ イ の ア ス タ キ サ ンチ ン は体 表 に,サ ケ で は筋 肉 中 に 蓄 積 さ れ る.サ ケ の場 合,産 卵 と と もに 母 サ ケ は 死 ん で し ま うが,母 サ ケ の筋 肉 中 の ア ス タキ サ ンチ ンは卵 (イ ク ラ)に 移 行 して お り,ア ス タキ サ ンチ ンは 卵 の 健 全 な成 長 を促 す た め の 機 能 を果 た して い る と考 え られ て い る. こ れ ら多 くの 高 等 生 物 で は,カ ロ テ ノ イ ド色 素 をde novo 合 成 す る こ と が で き ず,カ ロ テ ノ イ ド合 成 能 を 有 図1Haematococcusの 形 態 変 化 (a)春 の 雪 解 け に よ り出 現 した 赤 雪.(b)緑 色 の 栄 養 細 胞,2本 の べ ん 毛 が あ り運 動性 が あ る .(c)休 眠 細 胞 で あ る不 動 の シス ト,(d) アス タ キ サン チ ン合 成 が 促進 され た 巨 大 赤 色 シ ス ト. 図2力 ロ テ ノイ ドの構 造式

す る 植 物 ・動 物 プ ラ ン ク トン(あ る い は カ ロ テ ノ イ ド変 換 能 を有 す る 甲殻 類)を 捕 食 す る こ とに よ る 食 物 連 鎖 で 本 色素 を獲 得 して い る.た と え ば,「 エ ビで タイ を釣 る」 の 言 葉 ど お り,植 物 ・動 物 プ ラ ン ク トンか らエ ビ(甲 殻 類)を 経 て最 終 的 に マ ダ イに ア ス タ キ サ ン チ ンが 移 行 し て い る.し た が っ て,養 殖 マ ダ イは 食 物 連 鎖 に よ り色 素 源 を捕 食す る こ とが で き な い た め,天 然 マ ダ イ とは 異 な りそ の 色 合 いが 鮮 や か な桜 色 を呈 さ な い.そ れ ゆ え,ア ス タキ サ ンチ ンは,養 殖 マ ダ イや 特 殊 鶏 卵 の 色揚 げ剤 と して そ の 産 業 的 利 用 が 一部 確 立 さ れ て い る.ま た最 近 で は,カ ロテ ノ イ ド類 の 機 能,と くに抗 酸 化 活 性 につ い て 多 くの 研 究 が 行 な わ れ て お り,ア ス タキ サ ンチ ンは β-カ ロテ ンや トコ フ ェ ロ ー ル よ り も は る か に強 力 な一 重 項 酸 素 消 去 能 や ラ ジ カ ル捕 捉 能 を 有 す る こ とが 明 らか に さ れ て い る5).ア ス タ キ サ ンチ ンは 単 な る 赤 色 色素 と して で は な く,次 世 代 の 機 能 性 色 素 と し て注 口 を集 め て い る と い っ て も過 言 で は ない. III.シ ス トに おけ るア ス タキサ ンチ ン生 合成 従 来,Haematococcusの シ ス トに お け る ア ス タキ サ ン チ ン生 合 成 の 研 究 は,自 然 界 を 模 倣 した 栄 養 源 の枯 渇 や 強 光 照 射 とい う手 段 を 用 い,数 週 間 を 要 す る独 立 栄 養 条 件 下 で 培 養 す る こ と に よ り行 な わ れ て き た2),筆 者 ら は,有 機 物 で あ る酢 酸 を 炭 素 源 と してHaematococcusを 従 属 栄 養 的 あ る い は混 合 栄 養 的 に 生 育 させ る こ と に よ り,高 濃 度 の 栄 養 細 胞 とそ れ に続 くシ ス トへ の形 態 変 化 お よ び ア ス タキ サ ンチ ン生 合 成 を 数 日間 の 培 養 で 完 了 さ せ る こ とが で きた6).ま た,ア ス タ キ サ ンチ ン合 成 を促 進 す る 因子 と して 高 濃 度 の 鉄 イ オ ン の 添 加 を 見 い だ し た.現 在,こ の 簡 便 な培 養 法 は 広 く世 界 中 の 研 究 者 に 採 用 され て い る.さ ら に,さ ま ざ ま な 環 境 ス トレス(た と え ば,強 光,高 温,高 食 塩 濃 度,乾 燥 な ど)を 人 為 的 に 作 用 させ る こ と に よ り,高 濃 度 の ア ス タ キ サ ンチ ンを 短 期 間 で シ ス ト中 に 蓄 積 させ る こ と が で き る よ う に な っ た.な お,栄 養 細 胞 か ら シ ス トへ の 細 胞 相 の 変 化 に 際 し, 乾 燥 ス トレス に 応 答 す る植 物 ホ ル モ ンで あ る ア ブ シジ ン 酸 の 細 胞 内濃 度 が 一 時 的 に 上 昇 して い た η. と こ ろ で,鉄 イ オ ンの 添 加 に よ り,な ぜ ア ス タ キサ ン チ ン合 成 が 促 進 され るの で あ ろ うか.鉄 イ オ ンに よ る ア ス タキ サ ンチ ン合 成 の 促 進 効 果 は,ヒ ドロ キ シ ル ラ ジ カ ル の 捕 捉 剤 に よ り特 異 的 に抑 制 さ れ た6).こ の こ と は, フ ェ ン ト ン反 応*1に よ り鉄 イ オ ンか ら 生 成 し た ヒ ドロ キ シ ル ラ ジ カ ル が ア ス タキ サ ンチ ン合 成 に 関 与 して い る 可 能 性 を 示 唆 して い る.ま た,さ まざ まな 活 性 酸 素 発 生 剤 の 添 加 に よ り 同 様 に ア ス タキ サ ンチ ン合 成 が 促 進 さ れ,添 加 した 活 性 酸 素 種 に 対 応 す る捕 捉 剤 や 失 活 剤 の 共 存 に よ っ て そ の 効 果 が 特 異 的 に打 ち 消 さ れ た6).ア ス タ キ サ ンチ ン合 成 が 促 進 さ れ る高 温 や 乾 燥 な どの 環 境 ス ト レス 条 件 下 に お い て も,活 性 酸 素 の 捕 捉 剤 や 失 活 剤 の 存 在 に よ りア ス タ キ サ ンチ ン合 成 は 抑 制 され た7).こ れ ら の現 象 か ら,強 力 な抗 酸 化 物 質 で あ る ア ス タキ サ ンチ ン の 生 合 成 自 身 が 活 性 酸 素 に よ り促 進 され て い る と考 え ら れ る. 栄 養 細 胞 か ら シ ス トへ の 細 胞 相 の 変 化 は,高 濃 度 の 酢 酸 添 加 や 窒 素 源 の 枯 渇 に よ る 高C/N比 に よ り誘 導 が 開 始 さ れ,数 時 間 で ア ス タキ サ ンチ ン合 成 系 を含 む一 連 の 蛋 白 質 合 成 が 完 了 し て い た6,8).シ ス トの 形 成 過 程 と と も に誘 導 され た ア ス タ キ サ ンチ ン生 合 成 系 は 鉄 イ オ ンに よ り活 性 化 を受 け るが,こ の と き新 た な 蛋 白質 合 成 は 必 要 で は な か っ た6,8).ま た,高 濃 度 の 酢 酸 を 栄 養 細 胞 に 添 加 す る こ と に よ り,誘 導 され たmRNAか ら ア ス タ キ サ ン チ ン合 成 系 に 関 与 す るcDNAが ク ロ ー ニ ン グ さ れ,本 来 ア ス タ キ サ ンチ ン合 成 能 を有 しな い 酵 母 や 細 菌 を宿 主 と して,ア ス タ キサ ンチ ン合 成 の 発 現 が確 認 さ れ た8∼11).本 ア ス タ キ サ ンチ ン合 成 遺 伝 子 群 を 導 入 した 大 腸 菌 よ り精 製 され た カ ロ テ ノイ ド合 成 系 酵 素 は,鉄 イ オ ンに よ り蛋 白 質 レベ ル の 活 性 化 を受 け る こ と がinvitro にお い て 明 らか に さ れ て い る9).近 年,と くに β一カ ロ テ ンか らア ス タキ サ ンチ ンへ の変 換 に 関 与 す る重 要 な 酵 素 と して,β-カ ロ テ ン ケ トラー ゼ(β-カ ロ テ ンオ キ シ ゲ ナ ー ゼ)10)やカ ロ テ ノ イ ド ヒ ドロ キ シ ラ ー ゼIPが ク ロー ニ ン グ さ れ,前 駆 体 で あ る フ ィ トエ ンの生 合 成 と と もに カ ロテ ノ イ ド生 合 成 系 の 局 在 や 調 節 機 構 が 報 告 され た12). 金 コ ロ イ ド電 顕 法 や ウ ェ ス タ ン ブ ロ ッ ト法 に よ り,β-カ ロ テ ン や ゼ ア キ サ ン チ ン の β-イ オ ノ ン 環 の4位(4' 位)にC=0基 を 導 入 す る 酵 素 で あ る β-カ ロ テ ン ケ トラ ー ゼ は ク ロ ロ プ ラ ス トと細 胞 質 の 両 方 に 存 在 して い た が,そ の 活 性 は 細 胞 質 で の み 確 認 さ れ た.一 方,フ ィ ト エ ンの 生 合 成 に 関 与 す る酵 素(フ ィ トエ ン シ ン タ ー ゼ や *1ス ー パ ー オ キ シ ド(02-)と そ の 不 均 化 反 応(dismutation)に よ っ て 生 成 す るH202か ら,鉄 イ オ ン の 存 在 下 に ヒ ド ロ キ シ ル ラ ジ カ ル (・OH)が 産 生 さ れ る.・OHは き わ め て 反 応 性 の 高 い ラ ジ カ ル で あ る.

Fe3++02-→Fe2++Oz    2O2-+2H+→H202+02   

フ ィ トエ ンデ サ チ ュ ラー ゼ)は ク ロ ロ プ ラ ス ト内 で の み 存 在 し活 性 を示 した.こ れ らの 知 見 は,初 期 の カ ロ テ ノ イ ド生 合 成 は ク ロ ロ プ ラ ス ト内 で起 こ り,前 駆 体 が 細 胞 質 に輸 送 され て,最 終 的 に細 胞 質 中 で ア ス タ キサ ンチ ン の 生 合 成 が 完 了 し蓄積 さ れ る こ とを 示 唆 し て い る12),こ れ ら遺 伝 子 丁 学 的 手 法 に よ りア ス タキ サ ンチ ン を は じめ とす る さ ま ざ ま な カ ロ テ ノ イ ド生 合 成 経 路 が 急 速 に解 明 され,イ ソ プ レ ノ イ ド合 成 系 遺 伝 子 群 と と も に 目 的 とす る カ ロ テ ノ イ ド遺 伝 子 を導 入 す る こ とに よ り,天 然 界 で は希 少 な カ ロ テ ノ イ ド種 を オー ダー メ ー ドで 高 濃 度 生 産 させ る技 術 が 確 立 さ れ た13).ご く最 近 で は,植 物 に こ れ らの 遺 伝 子 を導 入 して メ タボ リ ッ クエ ンジ ニ ア リ ン グ の 手 法 に よ り,ア ス タ キ サ ンチ ン を生 合 成 す る赤 い タバ コ な ど,新 規 な機 能 性 を有 す る植 物 を創 生 す る研 究 も報 告 され て い る14).

IV.力 ロテノイ ド生合成の促進因子

Haematococcus の シ ス トに お け る 知 見 を は じ め と し て,さ ま ざ まな 生 物 種 にお い て,活 性 酸 素 が 関 与 す る カ ロ テ ノ イ ド合 成 系 と,活 性 酸 素 に対 す る カ ロテ ノ イ ドの 生 理 的 機 能 が 解 明 され つ つ あ る.Haematococcusと 同 じ オ オ ヒ ゲ マ ワ リ 目 に 属 す るDunaliellaは β-カ ロ テ ン を 高 濃 度 に 生 合 成 す る耐 塩 性 の 単 細 胞 緑 藻 で あ り,イ ス ラ エ ル や オ ー ス トラ リ ア で は 大 型 屋 外 プ ー ル培 養 に よ り β-カ ロ テ ン の 工 業 生 産 が 実 際 に 行 な わ れ て い る.Du naliella は 細 胞 壁 が な い プ ロ トプ ラス ト細 胞 で シ ス トの よ う な形 態 変 化 は 起 こ らな い.ま た,高 食 塩 濃 度 に適 応 す るた め に細 胞 内 に グ リセ ロー ル を蓄 積 して浸 透 圧 を調 節 して い る.β-カ ロ テ ン生 合 成 を 促 進 す る 環 境 因 子 と して,強 光,高 塩 濃 度,高 温 な どが 明 らか に さ れ て い る. ま た,活 性 酸 素 発 生 剤 や抗 酸 化 酵 素(ス ー パ ー オ キ シ ド ジ ス ム ター ゼ や カ タ ラ ー ゼ)の 阻 害 剤 を添 加 す る こ と に よ りβ-カ ロ テ ン合 成 が 促 進 さ れ た15).同 様 に 赤 色 酵 母 Phaffia に お い て も,培 養 時 に さ ま ざ ま な 活 性 酸 素 発 生 剤 を添 加 す る こ と に よ りア ス タ キサ ンチ ン生 合 成 が 促 進 され る現 象 が 見 い だ され て い る16).現 在 の と こ ろ,こ れ らの 生 物 に お い て 遺 伝 子 レベ ルで の研 究 は 報 告 され て い な い.Haematococcusに お い て は,ア ス タ キ サ ンチ ン 生 合 成 に 関与 す る い くつ か の 酵 素 遺 伝 子 が ク ロ ー ニ ン グ さ れ て い る.こ れ らは 活 性 酸 素 自体 で は転 写 さ れ ず,活 性 酸 素 は翻 訳 後 の 蛋 白 質 の 活性 化 に 関 与 して い る こ とが 示 唆 さ れ て い る8).一 方,植 物 で あ る トウ ガ ラ シの ク ロ モ プ ラス トで は,活 性 酸 素 発 生 剤 の 添 加 に よ リ カ ロ テ ノ イ ド合 成 遺 伝 子 群 が 転 写 され る こ とが 確 認 さ れ て お り1η, 活 性 酸 素 はセ カ ン ドメ ッセ ン ジ ャー と して 働 くこ とが 明 らか に され て い る.

V.抗 酸化物質としての力ロテノイ ドの機能

さ て,Haematococcusの シ ス トに蓄 積 され た ア ス タキ サ ンチ ンは どの よ う な機 能 を有 して い る の で あ ろ うか. シス トで は,オ レ イ ン酸 な どの 高級 脂 肪 酸 が ア ス タキ サ ンチ ン の 両 β-イオ ノ ン環 の3位,3'位 のOH基 に エ ス テ ル 結 合 した モ ノ エ ス テ ル あ る い は ジエ ス テ ル ア ス タキ サ ンチ ン と して存 在 して い る(図2).エ ス テ ル 型 ア ス タ キ サ ンチ ン は総 カ ロ テ ノ イ ドの90%を 占 め,シ ス ト乾 燥 重 量 あ た り5%に 相 当 す る2,18).一 般 に カ ロ テ ノ イ ド は脂 溶 性 で あ るが,大 豆 油 な ど に対 す る溶 解 性 は か な り 低 い.Haematococcusで は,高 濃 度 の エ ス テ ル型 ア ス タ キ サ ンチ ンが 細 胞 質 中 の油 滴 の 中 に 局 在 す るが,こ れ は 遊 離 型 ア ス タ キサ ンチ ンに比 べ て 油 分 に対 す る溶 解 度 が 高 い こ と に起 因 して い る と推 測 で き る. in vivo に お け る ア ス タ キ サ ンチ ン の 生 理 的 意 義 を 検 証 す る た め,活 性 酸 素 の一 種 で あ る ス ー パ ー オ キ シ ドの 発 生 剤 と して メチ ル ビ オ ロ ー ゲ ン(除 草 剤 で あ る パ ラ コ ー ト)を 高濃 度 で 添 加 し た と こ ろ_{,シ ス トは 栄 養 細 胞 よ} り も は る か に 強 い 耐 性 を示 した19).栄 養 細 胞 で は,ス ー パ ー オ キ シ ドジス ム ター ゼ や カ タ ラー ゼ な どの 抗 酸 化 酵 素 群 が 主 体 とな っ て 抗 酸 化 機 能 を発 揮 し て い た の に対 し,シ ス トで は こ れ らの 酵 素 群 は消 失 して い た.ま た, トル エ ン処 理 に よ り透 過 性 を高 め た シ ス ト細 胞 を用 い て 抗 酸 化 活 性 を測 定 した と こ ろ,ア ス タ キ サ ンチ ン含 有 量 に依 存 して そ の細 胞 活 性 が 上 昇 し た19).さ ら に,2ノ,7!一 ジ ク ロ ロ ヒ ドロ フ ル オ レセ イ ン を シス ト細 胞 内 に 取 り込 ませ,活 性 酸 素 に よ り変換 され る ジ ク ロ ロ フ ル オ レ セ イ ンの 生 成 量 を蛍 光 測 定 す る こ と に よ り細 胞 内 の 活 性 酸 素 濃 度 を 定 量 した 結 果,シ ス トは 人 為 的 な酸 化 的 ス トレス 条 件 下 に お い て も活 性 酸 素 濃 度 が 低 く維 持 さ れ て い た20).ま た 自然 界 に お い て,と くに細 胞 内 で 活 性 酸 素 が 異 常 生 成 す る 条 件(た と え ば,雪 山 の 強 光 下 に お け る 紫 外 線 照 射)に お い て も,エ ス テ ル型 ア ス タ キ サ ンチ ン を 含 有 す る シ ス トはUV-Bに 対 し て も 十 分 な 耐 性 を示 す こ とが で きた21).シ ス トに お け る エ ス テ ル 型 ア ス タキ サ ンチ ン は,強 力 な抗 酸 化 物 質 と して 機 能 して お り,自 然 界 に お け る シス トの 耐 久 性 を 高 め る た め に重 要 な役 割 を 担 っ て い る と考 え る こ とが で きる.

お わ りに この よ う な現 象 を藻 類 で 研 究 す る こ との 意 義 は,同 調 培 養 に よ る 実 験 系 で 扱 え る こ とに あ る.均 一 の性 質 を も っ た 多 数 の 細 胞 が 得 ら れ る こ と の意 味 は 大 き く,陸 上 植 物 を材 料 と した と き よ り,は るか に安 定 した 実験 系 を組 む こ とが で きる.ま た,藻 類 の シ ス トは形 成 過 程 や形 態 的性 質 に お い て 多 様 で あ り,陸 上 植 物 で は見 られ な い 植 物 の生 理 学 的 現 象 と して 貴 重 と考 え られ る.し か しな が ら,研 究 室 で の モ デ ル 実 験 系 で は,栄 養 細 胞 を通 常 の細 胞 形 態 と して 捉 え,シ ス トを休 眠細 胞 や 耐 久 細 胞 と して 特 異 な存 在 と して位 置 づ け て し まい が ち で あ る.自 然 界 で は,む しろ シ ス トと して の 細 胞 相 が優 先 的 で あ り,さ ま ざ ま な厳 しい 自然 環 境 に 適 応 す る こ との で きる 唯 一 の 形 態 で あ る と考 え る こ と は で き な い で あ ろ うか. あ る 仮 説 を立 て て み る こ と にす る.氷 雪 藻 類 は1年 の 大 部 分 を シ ス トと して 過 ご し,夏 場 の わず か な雪 解 け に 乗 じて そ の 群 集 が 移 動 す る,あ るい は タ ンポ ポの 種 子 の よ うに風 に 運 ば れ て 新 天 地 に 移 動 す る.幸 運 に も移 動 し た 先 の環 境 条 件 に 恵 ま れ て い た な らば,た だ ち に シ ス ト 中 の 娘 細 胞 を 放 出 し て栄 養 細 胞 が 増 殖 して い く.穏 や か な 環 境 が 一 変 して,強 光 に よ る温 度 上 昇,水 分 蒸 発 に よ る高 塩 濃 度,乾 燥 とい う よ う な過 酷 な 条件 と なっ た な ら ば,栄 養 細 胞 は 速 や か に シ ス トに 移 行 す る.シ ス トで は,こ れ ら環 境 ス トレス に よ り異 常 生 成 す る 活性 酸 素 に 対 す る 唯 一 の 対 抗 手 段 と して ア ス タ キ サ ンチ ンを 高 濃 度 に蓄 積 す る こ と で,そ の 生 存 が 保 たれ て い る との仮 説 を 考 え て い る.今 後 は フ ィー ル ドワー ク を通 じて,ま ず は 日本 で 自然 界 か らHaematococcusの シス トサ ンプ リ ン グ を して 仮 説 の 検 証 を 行 な う と と も に,シ ス トに備 わ っ て い る神 秘 な機 能 を解 明 して い きた い と考 えて い る. 【追 記 】 ご く最 近 の 文 献22)に よ る と,Haematococcusで 遊 離 型 ア ス タキ サ ンチ ン だ け を特 異 的 に生 合 成 す る株 が 単 離 さ れ た.ア ス タ キサ ンチ ン生 合 成 の 最 終 ス テ ップ で あ る エ ス テ ル化 の解 明 が 期 待 され る. 1)井 上 勲:CellScience,7,572-579(1991)

2) Boussiba, S. : Physiol. Plant., 108,111-117 (2000) 3) Bidigare, R. R., Ondrusek, M. E., Kennicutt, M. C., Iturriaga,

R., Harvey, H. R., Hoham, R. W., Macko, S. : J. Phycol., 29, 427-4340993)

4)幹 渉(編):海 洋 生 物 の カ ロ テ ノ イ ド 代 謝 と生 物 活 性, 恒 星 社 厚 生 閣(1993)

5)井 上 正 康(編):活 性 酸 素 と医 食 同源 一 分 子 論 的 背 景 と医 食 の接 点 を求 め て,共 立 出 版(1996)

6) Kobayashi, M., Kakizono, T., Nagai, S. : Appl. Environ. Mi crobiol., 59, 867-873 (1993)

7) Kobayashi, M.. Hirai, N., Kurimura. Y., Ohigashi, H., Tsuji, Y. : Plant Growth Regul., 22, 79-85 (1997)

8) Steinbrenner, J., Linden, H. : Plant Physiol., 125, 810-817

(2001)

9) Fraser, P. D., Miura, Y., Misawa, N. : J. Biol. Chem., 272,

6128-6135(1997)

10) Kajiwara, S., Kakizono, T., Saito, T., Kondo. K., Ohtani, T.,

Nishio, N., Nagai, S., Misawa, N. : Plant Mol. Biol., 29, 343-352(1995)

11) Linden, H. : Biochim. Biophys. Acta, 1446, 203-212 (1999) 12) Griinewald, K., Hirschberg, J., Hagen, C. : J. Biol. Chem.,

276,6023-6029(2001)

13) Misawa, N., Shimada, H. : J. Biotechnol., 59,169-181 (1998)

14) Mann, V., Harker, M., Pecker, I., Hirschberg, J.: Nature

Biotechnol.. 18.888-892 (2000)

15) Shaish, A., Avron, M., Pick, U., Ben-Amotz, A. : Planta, 190.363-368(1993)

16) Johnson, E. A., Schroeder, W. A. : ACS Symp. Ser., 637, 39-50(1996)

17) Bouvier, F., Backhaus, R. A., Camara, B. : J. Biol. Chem., 273,30651-30659(1998)

18) Kobayashi, M., Sakamoto, Y. : Biotechnol. Lett., 21,

265-269(1999)

19) Kobayashi, M., Kakizono, T., Nishio, N., Nagai, S., Kuri mura, Y., Tsuji, Y. : Appl. Microbiol. Biotechnol., 48, 351-356(1997)

20) Kobayashi, M.: Appl. Microbiol. Biotechnol., 54, 550-555

(2000)

21) Kobayashi, M., Okada, T. : Biotechnol. Lett., 22, 177-181 (2000)

22) Schoefs, B. et al. : FEBS Lett., 500,125-128 (2001)

古 林 万 木 夫 略 歴:1993年 広 島 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 博 士 課 程 修 了,工 学 博 士,1997年 よ り ヒ ガ シ マ ル 醤 油(株)研 究 所 主 任 研 究 員.2001年 よ り兵 庫 県 立 工 業 技 術 セ ン タ ー 客 員 研 究 員 兼 務, 研 究 テ ー マ:藻 類 に お ける 力 ロ テ ノ イ ド生 合 成 に 関 する 研 究, 関 心 事 ・抱 負:(微)生 物 に よ る有 用 物 質 生 産 を 念 頭 に お い た 基 礎 研 究 と 応 用 研 究 の バ ラ ン ス よ い 進 展 が 理 想.