根粒菌は主にマメ科植物の根に侵入し、根粒という新しい器官を形成して、共生窒素固定を行う。 根粒共生は、まず宿主植物の根が分泌した特定のフラボノイドを根粒菌細胞内のNodD転写因子が感知すると、nod遺伝子群の発現が誘導され、ノッド因子と呼ばれるリポキチンオリゴ糖(LCO)が合成・分泌される。宿主植物は共生相手特有のノッド因子の構造に応答し、根粒菌を根毛に包み込み（カーリング）、筒状の通り道（感染糸）から植物細胞内に取り込む。根粒菌が内部に入ると根の細胞が分裂してこぶ状の根粒を形成する。
根粒中で根粒菌はバクテロイドに分化してニトロゲナーゼにより大気中の窒素をアンモニウムに固定する。その後、アンモニウムは、グルタミンおよびアスパラギンのようなアミノ酸に変換されてから、植物に輸出される。その代償として、植物は有機酸の形で根粒菌に炭水化物を供給する。植物はまた、根粒菌に人間におけるヘモグロビンのような植物タンパク質であるレグヘモグロビンによる細胞呼吸のための酸素を提供する。この過程は、ニトロゲナーゼ活性の阻害を防止するために根粒内の酸素を低く保つ。
共生と感染は紙一重か
引用：根粒菌とマメ科植物のせめぎ合いのメカニズム（東北大学大学院生命科学研究科 30.8.10 Press Release）
３型タンパク質分泌系は細菌から高等動植物の細胞へ直接タンパク質を撃ち込む装置であり、鞭毛と起源を一にし、赤痢菌や植物病原菌が宿主に病原因子などを撃ち込むことから、通称「毒針」と言われる。共生菌である根粒菌も３型タンパク質分泌系とエフェクターを保有しているが、その理由は十分明らかになっていない。
植物に病害を与える病原菌は、植物細胞内にエフェクターと呼ばれるタンパク質を注入して植物の防御機構を撹乱・回避することにより感染を可能にしている。これに対し植物は、抵抗性タンパク質(Rタンパク質)を含む複合体による、病原菌の特異的認識と抵抗性発現により耐性を獲得する機構を備えている。
ダイズはRタンパク質を介して根粒菌3型エフェクターNopPをモニターし、特異的な変異をNopPに持つ根粒菌との共生（根粒形成）を拒絶していることが明らかになりました。
引用：細菌のタンパク質分泌装置と輸送基質タンパク質群の構造・機能解析（代表機関：大阪大学大学院生命機能研究科）
細菌の中には、生物に感染して病気を引き起こすものがたくさんあります。例えば、赤痢菌やサルモネラ菌は、ヒトの腸内の細胞に感染し、下痢や発熱を引き起こします。こうした病原性細菌は、狙った細胞の内部を自分が入り込みやすい環境に変えてから侵入します。そのために、病原性細菌はエフェクターという一群のタンパク質をつくり、相手の細胞に送り込んで、その生理機能をコントロールします。病原性細菌の表面には、エフェクタータンパク質を細胞に送り込むための分泌装置があります。 分泌装置には、III型とIV型の2種類が知られています。どちらも多種類のタンパク質が集まってできている複合体です。III型分泌装置はサルモネラ菌などで見られるもので、当課題の分担研究者である大阪大学大学院生命機能研究科の久堀智子特任助教らが世界で初めて精製し、電子顕微鏡で観察した結果、べん毛の付け根とほぼ同じ構造体であることが明らかになりました（べん毛は、細菌が泳ぐときに使う長いしっぽのような毛で、船のスクリューのように回転します）。一方、IV型はレジオネラ菌などに見られますが、その構造はまだはっきりしていません。
どちらの分泌装置も、病原性細菌の成分の中からエフェクタータンパク質だけを選び出して、絶妙なタイミングで、必要な量だけ細胞に送り込むというすぐれものです。私たちは、III型とIV型の分泌装置がエフェクタータンパク質をどう認識し輸送しているのか、また、輸送のためのエネルギーはどのように供給されているのかを明らかにしたいと思っています。 しかし、分泌装置を構成するタンパク質は離合集散を繰り返しています。このような複合体を、ちゃんと機能するかたちで結晶化させることはなかなかたいへんです。そこで、構造解析する試料のデザインが必要になります。例えば、結晶化しにくい部分を除去したタンパク質をつくる、相互作用が強くなった変異タンパク質を探索・作成し、部分複合体を得るなどの手法を使って研究を進めています。こうすることで、構造解析に適した試料を調製することができ、いくつかのタンパク質の構造が明らかになりつつあります。
鞭毛モーターと似ているのだろうか。
引用：日本生物物理学会
バクテリアべん毛 「細菌が持つ精巧で柔軟な巨大運動器官」
■背景
私たち人間が動くときに足を使うように、細胞が運動する時には運動器官を用います。大腸菌やサルモネラ菌といった、核を持たない単細胞生物（細菌・バクテリア）は、体に１本から数本の毛を生やし、水中を泳ぐ際の運動器官として使っています。これがバクテリアべん毛です。核を持つ生物（真核生物）も運動器官として鞭毛を持っていますが、バクテリアべん毛とは形も動く仕組みも全く異なります。いったいどんな仕組みでバクテリアべん毛は機能するのでしょうか？
図２ バクテリアべん毛の模式図。エネルギー源として使われる共役イオンの違いにより、H+駆動型とNa+駆動型に分けられる。べん毛は基部体、フック、べん毛繊維から成り立つ。ビブリオ菌の基部体には、大腸菌やサルモネラ菌では見られないHリングやTリングが存在する。基部体周囲にはイオンを透過し力を発生する固定子が集合し、H+またはNa+が流れると、固定子Aサブユニットの細胞質側と回転子のCリングにあるFliGが相互作用して回転力が生み出されると考えられている。
■研究概要
バクテリアべん毛のはたらく仕組みを理解するために、様々な条件下における細菌の運動を、光学顕微鏡を使って詳しく観察しました。すると、ATPをエネルギー源とする真核細胞の鞭毛と異なり、バクテリアべん毛は細胞膜を介したイオン(H+またはNa+)の電気化学的勾配をエネルギーとして利用することがわかりました。さらに、電子顕微鏡で単離したべん毛を観察すると、べん毛はフラジェリンという蛋白質で出来た螺旋状繊維で、その根元は細胞表層に埋まった回転モーターにつながっていることがわかりました。すなわち、モーターが回転することでべん毛繊維がスクリューのようにはたらき、細菌細胞は泳いでいるのです。
引用：日本生物物理学会 バクテリアべん毛モーター
大腸菌やサルモネラ菌のべん毛モーターが回転するためのエネルギー源は、細胞膜内外に形成されるプロトンの電気化学的ポテンシャル差、すなわちプロトン駆動力です。一方、海洋性ビブリオ菌の極べん毛モーターや強いアルカリ性環境でのみ生育できる好アルカリ細菌のべん毛モーターは、ナトリウム駆動力で回転します。興味深いことに、枯草菌のべん毛モーターは、pH、ナトリウムイオン濃度などの環境の変化に応じてプロトン駆動力とナトリウム駆動力を使い分けます。
大腸菌およびサルモネラ菌のべん毛モーターのトルク発生には、MotA、MotB、FliG、FliM、およびFliNの5種類の蛋白質が関与します。MotAとMotBは細胞膜貫通型の蛋白質で、4分子のMotAと2分子のMotBからなる複合体を形成し、プロトン透過経路として働きます。べん毛基部体の周りには、少なくとも11個のMotA/B複合体が存在します。MotBのC末ペリプラズムドメイン（MotBC）にはペプチドグリカン結合モチーフと呼ばれるアミノ酸配列が存在することから、MotA/B複合体がべん毛モーターの固定子として機能すると考えられています。最近、X線結晶構造解析によってピロリ菌およびサルモネラ菌のMotBCの立体構造が明らかにされ、その構造がPalやRamと言ったペプチドグリカン結合蛋白質と良く似た構造であることがわかりました。興味深いことに、GFP-MotBの一分子蛍光イメージングにより、MotA/B複合体は常にペプチドグリカン層に結合しているのでなく、モーター回転中にもダイナミックに入れ替わることが示されました。FliG、FliM、およびFliNはスイッチ蛋白質とも呼ばれ、MSリング直下にCリングと呼ばれるカップ状の構造を形成し、べん毛モーターの回転子として機能します。これらのスイッチ蛋白質は、べん毛モーターの回転方向の切り替えスイッチとしても働きます。走化性応答においてリン酸化されたCheYがFliMおよびFliNに結合すると、べん毛モーターの回転方向が切り替わります。
プロトンがMotA/B複合体を流れると、MotA の細胞質ドメインがFliGと相互作用し、その結果べん毛モーターの回転力が発生すると考えられています。大腸菌内で動作するように作られたナトリウムイオン駆動型モーターを用いて回転計測を行った結果、べん毛モーターが26回のステップによって1回転することが明らかされました。この結果は、回転子であるFliGが作るリングの対称性が26であることと一致していました。
べん毛モーターのトルク発生には、MotA、MotB、FliG、FliM、およびFliNの５種類の蛋白質が関与する。MotAおよびMotBはべん毛モーターの固定子複合体を形成する。FliG、FliM、およびFliNはMSリングの細胞質側に自己集合してCリングを形成する。
引用：川崎 努（近畿大学農学部 バイオサイエンス学科植物分子遺伝学研究室）
領域融合レビュー, 2, e008 (2013)DOI: 10.7875/leading.author.2.e008
Tsutomu Kawasaki: Plant immunity and inhibitory mechanism of host immunity by pathogens.
植物はパターン認識受容体により病原微生物の感染を認識し，さまざまな免疫応答を誘導して病原微生物の増殖を阻止している．では，病原微生物はこの植物の免疫応答にどのように対抗しているのだろうか．病原微生物は宿主への感染過程において自らのタンパク質を宿主の細胞内に分泌し免疫応答を抑制している（図1）．このような分泌タンパク質は総称してエフェクターとよばれている．病原微生物の種類によりエフェクターの分泌の様式は異なるが，ここでは，一部の病原細菌が利用するIII型分泌装置について紹介したい．Pseudomonas属やXanthomonas属の病原細菌は針状の構造をしたIII型分泌装置を用いて宿主の細胞内にエフェクターを分泌している．III型分泌装置を構成するタンパク質をコードする遺伝子はhrp（hypersensitive response and pathogenicity）遺伝子とよばれ，このhrp遺伝子は植物へ感染するときのみ発現する．つまり，病原細菌は宿主の組織内の環境を感知してIII型分泌装置を構築し，宿主の細胞内にエフェクターを送り込んでいるのである．
Pseudomonas属やXanthomonas属の細菌は30〜50個のエフェクターをもち，III型分泌装置を使いこれを宿主の細胞内に送り込んでいる．しかし，アミノ酸配列から機能を推定できるエフェクターは少なく，作用機作のわかっているエフェクターの数も少ない．また，エフェクターの多くは既知の機能ドメインをもたないことから，進化的に新しいタンパク質であると考えられている．実際，近年になり，エフェクターの研究から新規な酵素活性が見い出されている．また，多くのエフェクターは宿主の細胞内で発現させるとその免疫応答を強く阻害する．このことは，宿主において免疫応答の誘導に重要な因子の機能をエフェクターが阻害していることを示唆している．そのため近年，エフェクターが標的とする因子を探索することにより，免疫応答において重要な役割をはたしている因子を同定しようという試みが行われている．その具体例について紹介していこう．
斑葉細菌病をひき起こすPseudomonas syringaeはグラム陰性細菌であり，古くからシロイヌナズナを用いた免疫の研究において代表的な病原微生物として利用されている．P. syringaeのエフェクターHopM1の標的となる因子として，シロイヌナズナのMIN7遺伝子がクローニングされた15)．MIN7遺伝子はARFのGDP-GTP交換因子をコードしており，PAMP誘導性免疫やエフェクター誘導免疫に関与する小胞輸送を制御することが示唆されている16)．また，P. syringaeのエフェクターHopU1の標的となる因子として，シロイヌナズナにおいてRNA結合タンパク質をコードするGRP7遺伝子がクローニングされた17)．HopU1はGRP7のRNA認識モチーフに存在するアルギニン残基をADPリボース化することにより，GRP7のRNA結合活性を阻害していることが報告された18)．さらに最近，GRP7はパターン認識受容体であるFLS2の転写産物や翻訳関連タンパク質と相互作用することにより転写後制御に関与しており19)，HopU1はGRP7とFLS2の転写産物とのあいだの相互作用を阻害することにより，FLS2のタンパク質量を減少させていることが報告された．
FLS2やCERK1による免疫誘導機構の解析から明らかになったように，RLCKファミリータンパク質はパターン認識受容体からのシグナルを細胞内に伝達する重要なタンパク質である．近年，エフェクターが相互作用するタンパク質の探索により，RLCKファミリータンパク質がさまざまなエフェクターの標的となることも明らかになってきた．P. syringaeのエフェクターAvrPphBはシステインプロテアーゼ活性をもち，免疫応答に関与するRLCKファミリータンパク質であるBIK1やPBS1，PBL1，PBL2を切断することにより免疫応答を抑制していることが明らかになった5)（図4）．また，Xanthomonas campestrisのエフェクターであるAvrACは，RLCKファミリーに属するRIPKおよびBIK1を標的としていることが明らかになった20)．RLCKファミリータンパク質の活性化においてその活性化ループに存在するセリン残基やスレオニン残基のリン酸化が重要であると考えられるが，AvrACはそのリン酸化部位にウリジル酸を付加することによりRIPKおよびBIK1の活性化を阻害していた．また，RLCKファミリーのほかのタンパク質においても活性化ループのリン酸化部位は高度に保存されており，それらがAvrACの標的となる可能性も考えられる．また，筆者らは，イネ白葉枯病菌Xanthomonas oryzaeのエフェクターであるXoo1488がOsRLCK185を標的としていることを明らかにした．OsCERK1はOsRLCK185をリン酸化することによりシグナルを伝達しているが，Xoo1488はOsCERK1によるOsRLCK185のリン酸化を阻害していた8)（新着論文レビュー でも掲載）．このように，複数のエフェクターがRLCKファミリータンパク質を標的としていることが明らかになり，このことは，RLCKファミリータンパク質が免疫応答において重要な役割をはたしていることを裏づけるものと考えられる．