光化学系Ｉ複合体を中心とした電子伝達メカニズムの構造基盤解明

• Project/Area Number: 13J03550
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: National Institute for Basic Biology (2015); Osaka University (2013-2014)
• Principal Investigator: 河合(久保田) 寿子 (2014-2015) 基礎生物学研究所, 環境光生物学研究部門, 特別研究員(PD); 河合 寿子 (久保田 寿子) (2013) 大阪大学, たんぱく質研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,320,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2014: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 光合成 / 光化学系I / X線結晶構造解析 / フェレドキシン / 複合体結晶 / 電子伝達 / 電子伝達複合体 / 光化学系 / photosystem / ferredoxin / PSI / Fd

Outline of Annual Research Achievements

X線結晶構造解析によりPSI-Fd複合体の構造を4.2A分解能で解き明かすことに成功した。その成果は以下の三点である。
1.PSI-Fd複合体の構造基盤解明：FdはPSIのPsaC、PsaE、PsaAと相互作用して複合体を形成していた。相互作用アミノ酸情報からFdの変異体を作製し、閃光分光法にてPSI-Fd間の電子伝達速度を測定することにより、これらのアミノ酸が生化学的にも重要であることを証明した。さらに、 [2H, 15N]ラベルしたガリウム(Ga)置換Fdを用いてNMRによるTCS法の解析を行い、結晶構造は溶液中での相互作用を反映していることを確認した。
2.PsaFピストンモデルの提唱：Fd結合前後のPSI構造をCαで重ね合わせ、RMSD値を算出した。その結果、Fd結合によりPSIの表在性蛋白質PsaCとEが三量体の外側に向かって移動していた。さらにその動きは隣接する膜貫通ヘリックスのPsaFへと連続し、最終的にはルーメン側まで到達していた。PsaFのN末端はPSIを還元するPcが結合するサブユニットであり、PSIはPsaFを介してチラコイド膜内外の電子伝達蛋白質結合情報を共有するというモデルを提唱した。
3.二分子アンテナモデルの提唱：PSI三量体には三分子のFdが結合しており、Ga異常散乱強度が強いFdほどPSIに接近していた。また、FdがPSIに結合することで三量体の境界面にあるPsaKと隣の分子のPsaBが互いに近寄る方向に移動していた。これによりPSI間の距離が縮まり、三量体間に於ける効率のよいエネルギー移動が可能になると考えられる。これらのことから、PSI三量体が協調して機能する二分子アンテナモデル、即ちPSI 三量体中でFdが最も強く結合しているPSIが電化分離を行い、残り二分子のPSIはアンテナとして機能して光エネルギーを供給するモデルを提唱した。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Ruhr-University Bochum(Germany)
• [Journal Article] X-ray Structure and Nuclear Magnetic Resonance Analysis of the Interaction Sites of the Ga-Substituted Cyanobacterial Ferredoxin (2015)
  • Author(s): Mutoh Risa, Muraki Norifumi, Shinmura Kanako, Kubota-Kawai Hisako, Lee Young-Ho, Marc M. Nowaczyk, Matthias Rögner, Hase Toshiharu, Ikegami Takahisa, Kurisu Genji
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 54 Issue: 39 Pages: 6052-6061
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.5b00601
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Concentration-dependent oligomerization of cross-linked complexes between ferredoxin and ferredoxin-NADP+ reductase (2013)
  • Author(s): Kimata-Ariga Y, Kubota-Kawai H, Lee YH, Muraki N, Ikegami T, Kurisu G, Hase T.
  • Journal Title: Biochemical and biophysical research communications Volume: Vol. 17 Pages: 867-872
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 光化学系I-フェレドキシンの電子伝達複合体構造から読み解く電子伝達の動的メカニズム (2015)
  • Author(s): 河合(久保田)寿子、武藤梨沙、Pierre SETIF、Marc Nowaczyk、Matthias Rogner、池上貴久、田中 秀明、栗栖源嗣
  • Organizer: 第15回蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: あわぎんホール
  • Year and Date: 2015-06-24 – 2015-06-26
• [Presentation] 光化学系I-フェレドキシンの電子伝達複合体構造から読み解く電子伝達の動的メカニズム (2015)
  • Author(s): 河合(久保田)寿子，武藤梨沙，Pierre SETIF, Marc Nowaczyk，Matthias Rogner，池上貴久，田中秀明，栗栖源嗣
  • Organizer: 第15回 日本蛋白質科学会年会(ワークショップ口頭発表)
  • Place of Presentation: あわぎんホール(徳島県、徳島市)
  • Year and Date: 2015-06-24
• [Presentation] 光化学系I-フェレドキシンの電子伝達複合体構造から読み解く電子伝達の動的メカニズム (2015)
  • Author(s): 河合(久保田)寿子，武藤梨沙，Pierre SETIF, Marc Nowaczyk，Matthias Rogner，池上貴久，田中秀明，栗栖源嗣
  • Organizer: 第15回 日本蛋白質科学会年会(ポスター発表)
  • Place of Presentation: あわぎんホール(徳島県、徳島市)
  • Year and Date: 2015-06-24
• [Presentation] Crystal Structure of Photosystem I from Synechocystis sp. PCC6803 at 5.1 A Resolution (2015)
  • Author(s): 河合(久保田)寿子、坂本由佳、和田元、田中秀明、栗栖源嗣
  • Organizer: 日本化学会 第95春季年会
  • Place of Presentation: 日本大学 理工学部
  • Year and Date: 2015-03-26 – 2015-03-29
• [Presentation] 光化学系Iとフェレドキシンが形成する電子伝達複合体の構造基盤 (2014)
  • Author(s): 河合(久保田)寿子、武藤梨沙、池上貴久、Marc Nowaczyk、Matthias Rogner、田中秀明、栗栖源嗣
  • Organizer: 平成26年度日本結晶学会年会
  • Place of Presentation: 東京大学 農学部
  • Year and Date: 2014-11-01 – 2014-11-03
• [Presentation] 光化学系Iとフェレドキシンが形成する電子伝達複合体の構造基盤 (2014)
  • Author(s): 河合(久保田)寿子、武藤梨沙、池上貴久、Marc Nowaczyk、Matthias Rogner、田中秀明、栗栖源嗣
  • Organizer: 第５回日本光合成学会年会
  • Place of Presentation: 近畿大学 農学部
  • Year and Date: 2014-05-30 – 2014-05-31
• [Presentation] Crystal structure of photosystem I from Synechocystis sp. PCC6803 at 5.1 Å resolution (2013)
  • Author(s): Hisako Kubota-Kawai, Hajime Wada, Genji Kurisu
  • Organizer: The 12^<th> Conference of the Asian Crystallographic Association
  • Place of Presentation: 香港科技大學(中国)
  • Year and Date: 2013-12-08
• [Presentation] Crystal Structure of Ga-substituted Ferredoxin and its interaction sites for Photosystem I and Ferredoxin-NADP+ reductase (2013)
  • Author(s): 武藤梨沙、村木則文、河合(久保田)寿子、長谷俊治、池上貴久、栗栖源嗣
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館
  • Year and Date: 2013-10-29