酸素極小層魚の好気性代謝と嫌気性代謝: the role of alcohol dehydrogenase｜Journal of Experimental Biology

DISCUSSION

アラビア海のランタンフィッシュ類やカリフォルニア海流、メキシコ湾、南極のその仲間は強い垂直移動性で、昼間に過ごす中水深（200-1000 m）から夜間に表層近くまで動いて、主に動物性プランクトンを餌にしています（Pearcy et al., 1977; Gjøsaeter, 1984; Torres and Somero, 1988a; Lancraft et al, 1989; Hopkins and Gartner, 1992; Luo et al, 2000). 垂直移動は世界中のハダカイワシが用いる採餌戦略であり (Robinson et al., 2010)、本研究の4地域は、溶存酸素と温度プロファイルが著しく異なるものの、共通種の日常生活習慣はほとんど変わらない自然実験システムとなっている。 したがって、4つの地域の実験対象はすべて生態学的な類似性を持っていた。 酸素と温度という2つの重要な物理変数に対する生理的反応が作用していた

アラビア海とメキシコ湾の中では、酸素が明らかに最も影響力のある物理変数であった。 両海域の温度プロファイルはほぼ同じであったが（図1）、酸素プロファイルは根本的に異なっていた。 アラビア海では、水深200mで酸素が消失し、水深1000mまでゼロのままであるのに対し、メキシコ湾では、同じ範囲で酸素が表層（空気飽和）の約半分にまで低下した（図1）。 両水系とも、魚類は日中、酸素極小に滞在していた。 しかし、アラビア海ではミヤコグサは嫌気性に制約されていたはずだが、メキシコ湾では酸素濃度はミヤコグサの正常酸素濃度範囲内に収まっていた（Donnelly and Torres, 1988）。 それぞれの種の酸素プロファイルに対処するための生化学的戦略は、その酵素活性に反映されている。 嫌気性生物時の解糖経路の末端酵素であるLDHは、アラビア海の魚類ではメキシコ湾の魚類に比べて約3倍高く、強い嫌気性能力があることが示唆された（図2）。 一方、メキシコ湾の魚類ではCSの活性がはるかに高いことから、メキシコ湾で見られる穏やかな酸素の最小値によって可能になった高度な好気性戦略を示している。 アラビア海の魚類のADH活性もメキシコ湾の魚類で観察されたものの約3倍であり、魚類に、鰓で排泄できない乳酸をエタノールに変換する生化学的装置を与えた（Shoubridge and Hochachka, 1980; Vornanen et al, 2009）

金魚やコイにおける乳酸からエタノールへの変換に関する現在のモデル（例：Shoubridge and Hochachka, 1980; Vornanen et al, 2009）では、まず乳酸がNADH存在下でピルビン酸に酸化され、熱力学的に上昇するステップ（ΔG°=+25.1 kJ mol-1）を踏むことが要求されている（Lehninger, 1970）。 ピルビン酸はその後、ミトコンドリア内でピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体によりアセトアルデヒドに変換され、CO2が放出される。 その後、アセトアルデヒドは、NADHの存在下、ADHによってエタノールに還元される（図4）。 エタノールの生成のための生化学的装置は、もっぱら遊泳筋にあり、筋内で生成された乳酸だけでなく、脳、肝臓、心臓などの他の組織で生成され、血流を介して筋に供給された乳酸も処理する（Shoubridge and Hochachka, 1980; Vornanen et al. 魚類の骨格筋は、運動後の乳酸の処理に重要な役割を果たしており、グルコース再生のための酵素機構が主に肝臓に存在する哺乳類の状況とは大きく異なっている (Suarez et al., 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996)。 したがって、魚類の筋肉は哺乳類の筋肉よりも多機能であり、より多くの酵素を持ち、生合成の可能性を含め、哺乳類の筋肉よりも固有の代謝の柔軟性を持っている（Gleeson, 1996）。 実際、魚類の骨格筋は、運動後に乳酸を封鎖し（Gleeson, 1996）、筋肉内のグルコースの再生を促進し、運動後の回復を高めることが示されています。 金魚、フナ、そして今回のランタンフィッシュの場合、筋肉酵素群の代謝の柔軟性により、嫌気性生物症の問題に対する新しい生化学的解決法が可能になります。

金魚とフナにおけるADH経路。 骨格筋は、嫌気性生物時に脳、心臓、肝臓で産生された乳酸のクリアリングハウスとして機能する。 乳酸は筋肉に取り込まれ、LDHによってピルビン酸に変換される。 血液を介して筋肉に到達したピルビン酸や筋肉内の解糖活動で生成されたピルビン酸は、ミトコンドリア内のピルビン酸脱水素酵素（PDH）経路で処理されてアセトアルデヒドとCO2を生成し、アセトアルデヒドは細胞質内でエタノールに変換され、エタルは細胞外に拡散して鰓で排泄されることが可能である。 図は、Elsevierの許可を得て、Vornanenら（Vornanen et al.、2009）を参考にした。

MDH 活動もメキシコ湾の魚よりもアラビア海の魚で著しく高かったが、細胞内の MDHの複数の役割により、この説明はかなり単純ではない。 筋肉組織は粉砕ガラスホモジナイザーでホモジナイズされ、細胞質MDHとミトコンドリアMDHの両方がアッセイカクテルで活性化されることになる。 したがって表1で報告された活性は、2つの細胞コンパートメントからのMDH活性の組み合わせであった。 好気的代謝において、MDHはクレブスサイクルにおけるオキサロ酢酸の生成を触媒する酵素として明らかに重要である。 さらに、好気的条件下では、細胞質MDHとミトコンドリアMDHが連動して、解糖によって生じた還元当量をミトコンドリアに運び、電子輸送系で処理する。これは、ミトコンドリア膜が細胞質NADHに対して不透過であるために必要なことである。 MDHの3つ目の役割は、従来の糖新生経路の重要なステップを触媒することである。 たまたま、魚の筋肉では、解糖のほぼ直接的な逆転によって糖新生が進行すると考えられている（Suarez et al, 1986; Moon, 1988; Gleeson, 1996）、MDHは重要な参加者ではない。

最も考えられることは、魚類が昼間は酸素の少ない下方に移動し、夜間は表層水の高い酸素に向かって移動し、正常酸素から無酸素状態への移行期にMDHが細胞内の酸化還元バランスの維持に役立つということであろう。 また、リンゴ酸シャトルは細胞の還元力の必要性に応じてNADHをミトコンドリア内へも外にも移動させることができる。

カリフォルニア国境地帯と南極のランタンフィッシュ種は、アラビア海やメキシコ湾の仲間たちと同様の傾向を示し、酸素と同様に温度が結果に影響するという注意点があった。 また、南極海産種の中で最も強く活発な垂直移動性であるElectrona antarcticaは最も高いLDH活性を示し、同じ測定温度で南極海産種全体としてカリフォルニア産のものよりも有意に高い値を示した。 強靭な活動性を持つ魚の温度適応の影響（Torres and Somero, 1988b; Yang and Somero, 1993; Vetter and Lynn, 1997）が、その高い値の最も有力な説明であろう。 ElectronaのLDH活性をその環境温度である0℃、すなわち表1の値（54 U g-1 wet mass）の半分で考えると、10℃でのカリフォルニア種の値の中間に位置し、ElectronaのLDH活性に温度適応が上向きに影響していることが明らかになる。 測定温度10℃ではCS、MDH活性ともにカリフォルニア種と南極種の間に有意な差は見られなかったが、平均値はいずれもカリフォルニア種が高かった。

ADH活性は測定温度の影響にもかかわらずカリフォルニア種で有意に高く、LDHと同様に南極種の値を上方に偏らせる傾向があったと思われる。 ADHの場合、全体の酵素活性に最も影響を与えたのはカリフォルニアの酸素濃度であり、その中心部（700 m；図1）では0.2 ml l-1の値を示した。 カリフォルニアランタンの垂直移動により、彼らは日中0.5〜1.0ml l-1 (16-32 Torr, ∼2.1-4.2 kPa)の酸素濃度に達するが、これは彼らが効率的に酸素を抽出する能力をはるかに下回る値である (cf.Torres et al., 2005), 4178>

アラビア海やカリフォルニア国境地帯のランタンフィッシュは、日中の深さで酸素濃度がゼロからほぼゼロになり、下降中に少なくとも5000体長泳いだ後（最小泳力300m、体長約5cmと仮定；表1）遭遇します。） このような場合、酸素濃度の低い場所での遊泳を最小限に抑え、嫌気性菌の繁殖を最小限に抑えることが最もエネルギー的に効率的であると考えられる。 ほとんどの通性嫌気性生物（例えば二枚貝）（Hochachka, 1980; Hochachka and Somero, 2002）は、最も効率の良い嫌気性経路でさえ高いエネルギーコストを要するため、嫌気性期間中に著しい活動の落ち込みを示す。 最小限の活動で、貯蔵エネルギーの使用を最小限に抑えることができる。 ADH経路の使用と組み合わせれば、筋肉細胞内の酸化還元バランスを維持しながら、エラでエタノールを排泄することにより、最終生成物の蓄積も最小限に抑えることができるだろう。

Diel 垂直移動は、ハダカイワシ以外にも多くの動物プランクトンやマイクロネクトンが示す適応であり (Hopkins et al., 1994; Hopkins et al., 1996; Robinson et al., 2010) 、おそらく視覚捕食を最小限に抑えるためと思われます。 視力と視覚捕食者の攻撃リスクは日中に大幅に増加するため、多くの動物は夜間に餌の豊富な表層水域にのみ入り、夜明けとともに暗い深海に移動する。 酸素極小期に存在する種、あるいはそこに移動する種は、生理的・生化学的適応によって対処できる安定した物理的特徴に対処している（Stramma et al.

外洋の中水魚は、低酸素またはゼロ酸素にさらされる時期や性質が、沿岸や淡水の魚とかなり異なる。 最も優れた魚類嫌気性生物（そして最もよく研究されている）であるフナは、その生息地である中央アジアとヨーロッパにおいて、冬の間、予測可能なゼロ酸素での滞在を経験する（Vornanen and Paajanen, 2004）。 小さな富栄養池に生息する個体は、氷と雪に覆われた状態で越冬するため、大気との交換が妨げられ、90日以上にわたって無酸素状態になる（Piironen and Holopainen, 1986）。 無酸素状態にさらされるのは季節的なイベントであるため、環境酸素が低下する前に代謝的・形態的な適応を行うことが可能である。 代謝的適応には、嫌気性活動の必要性を満たすために肝臓、筋肉、脳、心臓にグリコーゲンが蓄積されることが含まれる。 形態的な調整としては、酸素交換を促進するために、鰓のラメラの数を増やし、鰓の表面積を7倍にする（Vornanen et al.、2009）。 おそらく最も驚くべきことは、フナの心臓と脳が無酸素状態でも完全に機能し続けるという事実で、これは脊椎動物の中でもユニークな戦略であり、筋肉組織から流出したエタノールを鰓で排泄するために送り、肝臓の貯蔵から必要な部位にブドウ糖を分配することを可能にします (Vornanen et al., 2009)

沿岸の海洋魚は自然および人為的に影響を受けた様々な状況で低酸素状態に遭遇しています。 マングローブ林のような腐敗した植生がある地域や、有機物を豊富に含む泥がある潮間帯の潮溜まりや水路は、干潮時に無酸素状態になり、時には在来種が硫化物にさらされることがある（Bagarinao and Vetter, 1989; Graham, 1997; Geiger et al.、2000）。 そのような機能を備えた魚類では、空気呼吸は、無酸素と硫化物への曝露の影響を最小化するための実行可能なオプションである（Graham, 1997; Geiger et al.、2000）。 また、熱水噴出孔にいる種と同様に、硫化物のミトコンドリア酸化という生化学的オプションを利用して、その毒性効果を最小限に抑えるものもいる（Bagarinao and Vetter, 1989）。 ほとんどの自然発生的な低酸素システムでは、マングローブの潮溜まりのように酸素ゼロへのエクスカーションは一時的であるか、1年のうち暖かい時期の干潮時に定期的に発生するものである。 このような状況は予測可能であり、生理的適応によって対応できるほどの頻度である。

北米、ヨーロッパ、アジアの沿岸海域や湾では、人為的に誘発または増強された低酸素現象やデッドゾーンがより規則的に発生している（Diaz and Rosenberg, 2008）。 デッドゾーンは通常、浅い海洋システムにおける栄養塩の流出と夏の成層に関連している (Diaz and Breitburg, 2009; Rabalais et al., 2002)。 栄養塩の負荷は生産を加速させ、大気中の酸素のミキシングダウンは水柱の成層化によって阻害される。 混合層より下では、沈み込む有機物の微生物分解によって酸素が著しく減少し、場合によっては、底部および底部付近の生息環境からすべての価値が失われる（Diaz and Breitburg, 2009）。 低酸素地帯における魚類の生存は、低下したPO2において酸素を除去する種の有効性によって決定されるが（Chapman and McKenzie, 2009; Perry et al. 魚類がデッドゾーンに対処するための戦略として長期の嫌気状態を利用するケースはない。

酸素欠乏地帯のように、水中にわずかだが一定量の酸素がある場合、動物はそれを取り出して利用するメカニズムを発達させてきた。 その機構とは、鰓の表面積の増大、効率的な循環系、高親和性血色素の3つである。 カリフォルニア海流の酸素最少層に生息する魚類では、大きな鰓の表面積が測定されている（Ebeling and Weed, 1963; Gibbs and Hurwitz, 1967）。 この海域に生息するホシチョウガイの一種、Gnathophusia ingensは、高度に発達したエラと効率的な循環系を持つことに加え (Childress, 1971; Belman and Childress, 1976) 、大きな正のボーア効果と高い共働性を持つ高親和性ヘモシアニンを持っている。 6 Torr (∼0.8 kPa)の分圧で酸素を供給することができ、その高い協同作用性によって、この色素は非常に小さな拡散勾配を越えて組織で酸素を供給することができる (Sanders and Childress, 1990)。

ハナダイ科は特異な全球遠洋魚で、大多数が垂直移動性 (Nelson, 2006; Smith and Heemstra, 1991) である。 その地理的分布は、すべての厳しい海洋酸素極小期を含んでおり、本研究ではそのうちの2つを扱った。 我々は、酸素極小層の最深部に恒久的に留まる種の戦略を利用するのではなく、かなりの生理的・形態的投資を必要とする（Childress and Seibel, 1998）、ADH経路を利用して最終生成物の蓄積を最小限に抑え、一日の一部には嫌気状態を利用して酸素極小層の要求に対応することができると提案する。 この嫌気性戦略は潮間帯の種が干潮時に用いる戦略を彷彿とさせるが (cf. Hochachka, 1980; Torres et al., 1977), より予測可能で制御可能な低酸素への移行という利点もある。 これは、金魚とコイ以外の魚類の筋肉におけるADH活性の最初の報告であり、ほとんど見落とされていない嫌気性戦略であり、より広く普及している可能性がある

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