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光合成の迅速制御を可能にする新規レドックス制御経路

Research Project

Project/Area Number 22K19130
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 38:Agricultural chemistry and related fields
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

吉田 啓亮  東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (40632310)

Project Period (FY) 2022-06-30 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Keywordsレドックス制御 / 光合成
Outline of Research at the Start

酸化還元を基盤とした翻訳後修飾である“レドックス制御系”は、植物の光合成制御において重要な役割を果たしている。この制御系全体の包括的理解を目指した研究過程において、これまで知られていない還元力伝達経路が光合成の場である葉緑体に存在し、光合成反応を光照射に応答して迅速に制御している可能性を示唆する結果を得た。この発見を足掛かりとして、本研究では、未知の還元力伝達経路の実体を解明し、新規の光合成制御メカニズムを明らかにすることに挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

酸化還元を基盤としたタンパク質翻訳後修飾であるレドックス制御は、植物の光合成制御において必須の役割を果たしている。研究代表者は、この制御システム全体の分子機構と生理機能の包括的解明を目指して研究を行っている。その過程において、最近、これまで知られていなかった還元力伝達経路が葉緑体に存在し、光合成反応を光照射に応答して迅速に制御している可能性を示唆する結果を得た。そこで本研究課題では、未知の還元力伝達経路の実体を解明し、新規の光合成制御メカニズムを明らかにすることを目的とした。
これまで、研究代表者がプロテオミクス解析により見出した葉緑体チラコイド膜の新規レドックス分子候補に着目し、その機能解析を進めてきた。前年度までに、このレドックス分子候補がチラコイド膜のストロマ側に表在していることを明らかにしたものの、全長のリコンビナントタンパク質の発現・精製が律速となって試験管内での機能解析が思うように進んでいなかった。本年度は、N末端側のアミノ酸配列を改変することで大腸菌での発現向上に成功し、その後精製標品を得ることができた。このレドックス分子候補は酸化還元処理によってチオール基の状態を変化させていることを見出し、レドックス感受性を備えていることを明らかにした。また、ゲノム編集によって作成した該当分子のノックアウト株シロイヌナズナの表現型解析(生育解析・光合成解析)を行った。非ストレス条件では明確な表現型が認められなかったため、該当分子はストレス条件で機能している可能性がある。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

注目している新規レドックス分子候補に関して、前年度まで難航していた大腸菌でのタンパク質発現・精製をクリアし、その後の生化学解析に向けた土台構築を達成できた。生理学解析においては、シロイヌナズナを用いて該当分子の完全ノックアウト株を作出し、表現型解析を進めている。さらに、本研究を進める過程で、チラコイド膜のレドックス制御システムに関する新たな研究展開があった。以上より、本研究課題はおおむね順調に進展していると評価する。

Strategy for Future Research Activity

タンパク質レベルでの機能解析を進め、注目するレドックス分子候補が還元力伝達活性を持つのか、その場合どのような葉緑体酵素を標的とするのかなどの分子の特徴づけを行う。精製タンパク質を用いた試験管内での構成的手法によって解析を進める。また、植物内での役割を明らかにするために、ノックアウト株を用いた生理解析を引き続き行う。通常の条件では表現型の変化を観測できなかったので、今後は条件を変えつつ測定パラメータを拡張して解析を進める(酸化ストレス条件での詳細な光合成解析など)。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (30 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (11 results) (of which Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 11 results) Presentation (17 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 3 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] The phosphorylated pathway of serine biosynthesis affects sperm, embryo, and sporophyte development, and metabolism in Marchantia polymorpha2024

    • Author(s)
      Wang M., Tabeta H., Ohtaka K., Kuwahara A., Nishihama R., Ishikawa T., Toyooka K., Sato M., Wakazaki M., Akashi H., Tsugawa H., Shoji T., Okazaki Y., Yoshida K., Sato R., Ferjani A., Kohchi T., Hirai M.Y.
    • Journal Title

      Commun. Biol.

      Volume: 7 Issue: 1 Pages: 102-102

    • DOI

      10.1038/s42003-023-05746-6

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Divergent protein redox dynamics and their relationship with electron transport efficiency during photosynthesis induction2024

    • Author(s)
      Yoshida K., Hisabori T.
    • Journal Title

      Plant Cell Physiol.

      Volume: in press Issue: 5 Pages: 737-747

    • DOI

      10.1093/pcp/pcae013

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Overexpression of thioredoxin-like protein ACHT2 leads to negative feedback control of photosynthesis in Arabidopsis thaliana2024

    • Author(s)
      Fukushi Y., Yokochi Y., Hisabori T., Yoshida K.
    • Journal Title

      J. Plant Res.

      Volume: in press Issue: 3 Pages: 445-453

    • DOI

      10.1007/s10265-024-01519-2

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Current insights into the redox regulation network in plant chloroplasts2023

    • Author(s)
      Yoshida K., Hisabori T.
    • Journal Title

      Plant Cell Physiol.

      Volume: 64 Issue: 7 Pages: 704-715

    • DOI

      10.1093/pcp/pcad049

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  • [Journal Article] Cystathionine-β-synthase X proteins negatively regulate NADPH-thioredoxin reductase C activity2023

    • Author(s)
      Tran C.M., Mihara S., Yoshida K.*, Hisabori T.*
    • Journal Title

      Biochem. Biophysic. Res. Commun.

      Volume: 653 Pages: 47-52

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2023.02.055

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  • [Journal Article] Chloroplast translation factor EF-Tu of Arabidopsis thaliana can be inactivated via oxidation of a specific cysteine residue2023

    • Author(s)
      Toriu Machi、Horie Momoka、Kumaki Yuka、Yoneyama Taku、Kore-eda Shin、Mitsuyama Susumu、Yoshida Keisuke、Hisabori Toru、Nishiyama Yoshitaka
    • Journal Title

      Biochemical Journal

      Volume: 480 Issue: 5 Pages: 307-318

    • DOI

      10.1042/bcj20220609

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  • [Journal Article] Two specific domains of the γ subunit of chloroplast F <sub>o</sub> F <sub>1</sub> provide redox regulation of the ATP synthesis through conformational changes2023

    • Author(s)
      Akiyama Kentaro、Ozawa Shin-Ichiro、Takahashi Yuichiro、Yoshida Keisuke、Suzuki Toshiharu、Kondo Kumiko、Wakabayashi Ken-ichi、Hisabori Toru
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 120 Issue: 6

    • DOI

      10.1073/pnas.2218187120

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  • [Journal Article] The ferredoxin/thioredoxin pathway constitutes an indispensable redox-signaling cascade for light-dependent reduction of chloroplast stromal proteins2022

    • Author(s)
      Yoshida K.*, Yokochi Y., Tanaka K., Hisabori T.
    • Journal Title

      J. Biol. Chem.

      Volume: 298 Issue: 12 Pages: 102650-102650

    • DOI

      10.1016/j.jbc.2022.102650

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  • [Journal Article] Dissipation of the proton electrochemical gradient in chloroplasts promotes the oxidation of ATP synthase by thioredoxin-like proteins2022

    • Author(s)
      Sekiguchi T., Yoshida K., Wakabayashi K-I., Hisabori T.*
    • Journal Title

      J. Biol. Chem.

      Volume: 298 Issue: 11 Pages: 102541-102541

    • DOI

      10.1016/j.jbc.2022.102541

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Verification of the Relationship between Redox Regulation of Thioredoxin Target Proteins and Their Proximity to Thylakoid Membranes2022

    • Author(s)
      Fukushi Y, Yokochi Y, Wakabayashi KI, Yoshida K, Hisabori T.
    • Journal Title

      Antioxidants

      Volume: 11 Issue: 4 Pages: 773-773

    • DOI

      10.3390/antiox11040773

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The Importance of the C-terminal Cys pair of Phosphoribulokinase in Phototrophs in Thioredoxin-Dependent Regulation2022

    • Author(s)
      Fukui K, Yoshida K, Yokochi Y, Sekiguchi T, Wakabayashi KI, Hisabori T, Mihara S.
    • Journal Title

      Plant Cell Physiol.

      Volume: in press Issue: 6 Pages: 855-868

    • DOI

      10.1093/pcp/pcac050

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  • [Presentation] クラミドモナスPGRL1 タンパク質におけるシステイン残基の機能解析2024

    • Author(s)
      高橋拓子,井須敦子,吉田啓亮,若林憲一,久堀徹,西山佳孝
    • Organizer
      第65回日本植物生理学会年会
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  • [Presentation] ゼニゴケの発生におけるセリン生合成リン酸化経路の機能2024

    • Author(s)
      平井優美,王梦瑶,多部田弘光,大高きぬ香,桑原亜由子,西浜竜一,石川寿樹,豊岡公徳,佐藤繭子,若崎眞由美,明石寛道,津川裕司,庄司翼,岡咲洋三,吉田啓亮,佐藤諒一,Ali Ferjani,河内孝之
    • Organizer
      第65回日本植物生理学会年会
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  • [Presentation] シロイヌナズナpifi 変異体における光化学系II 最大量子収率の低下と葉緑体NDH 複合体活性の関わり2024

    • Author(s)
      村井美波,木村文香,今泉滉,吉田啓亮,車玉芬,石川規子,久堀徹,上妻馨梨,伊福健太郎
    • Organizer
      第65回日本植物生理学会年会
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  • [Presentation] 光合成誘導期におけるレドックス制御と電子伝達効率の関連性2024

    • Author(s)
      吉田啓亮,久堀徹
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      第65回日本植物生理学会年会
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  • [Presentation] Functional analysis of Trx-like protein CDSP32 in chloroplast redox regulation2024

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  • [Presentation] シロイヌナズナにおける色素体局在型Trx 様タンパク質の胚形成への関与2024

    • Author(s)
      福士結香,横地佑一,久堀徹,吉田啓亮
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  • [Presentation] Uncovering redox regulation network in plant chloroplasts2023

    • Author(s)
      Yoshida K.
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      Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] The role of PGRL1 in the photoprotection of photosystem I in the green alga Chlamydomonas reinhardtii2023

    • Author(s)
      Takahashi H., Takayama K., Isu A., Wakabayashi KI., Yoshida K. Hisabori T., Nishiyama Y.
    • Organizer
      Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Physiological impacts of Trx-like protein overexpression in Arabidopsis chloroplasts2023

    • Author(s)
      Fukushi Y., Hisabori T., Yoshida K.
    • Organizer
      Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
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  • [Presentation] Cystathionine-beta-synthase X proteins negatively regulate NADPH-thioredoxin reductase C activity2023

    • Author(s)
      Tran C.M., Mihara S., Yoshida K., Hisabori T.
    • Organizer
      Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 光合成のレドックス制御に関わるPost-Illumination Chlorophyll Fluorescence Increase (PIFI)タンパク質の分子機能解析2022

    • Author(s)
      村井美波,吉田啓亮,車玉芬,石川規子,久堀徹,伊福健太郎
    • Organizer
      第12回日本光合成学会年会およびシンポジウム
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  • [Presentation] Trx およびTrx 様タンパク質による葉緑体タンパク質の酸化制御2022

    • Author(s)
      福士結香,横地佑一,若林憲一,吉田啓亮,久堀徹
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      第12回日本光合成学会年会およびシンポジウム
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  • [Presentation] Functional interaction between Cystathionine-β-synthase X proteins and NADPH-thioredoxin reductase C in Arabidopsis thaliana2022

    • Author(s)
      Minh Chau Tran, Shoko Mihara, Ken-ichi Wakabayashi, Keisuke Yoshida, Toru Hisabori
    • Organizer
      第12回日本光合成学会年会およびシンポジウム
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  • [Presentation] Redox regulation system in chloroplasts; what we know about reduction and oxidation of target enzymes2022

    • Author(s)
      Toru Hisabori, Yuichi Yokochi, Takatoshi Sekiguchi, Yuka Fukushi, Ken-Ichi Wakabayashi, Keisuke Yoshida
    • Organizer
      International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Oxidative regulation of chloroplast ATP synthase by thioredoxin-like proteins2022

    • Author(s)
      Sekiguchi Takatoshi, Keisuke Yoshida, Ken-Ichi Wakabayashi, Toru Hisabori
    • Organizer
      International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
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  • [Presentation] シロイヌナズナにおける葉緑体内局在型Trx様タンパク質の非光化学的消光制御への関与2022

    • Author(s)
      福士結香,横地佑一,若林憲一,吉田啓亮,久堀徹
    • Organizer
      第64回日本植物生理学会年会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Biochemical Basis for Redox Regulation of Chloroplast-Localized Phosphofructokinase from Arabidopsis thaliana2022

    • Author(s)
      吉田啓亮、久堀徹
    • Organizer
      第64回日本植物生理学会年会
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      2022 Research-status Report
    • Invited
  • [Remarks] 東工大化生研 田中・吉田研究室

    • URL

      http://www.res.titech.ac.jp/~biores/

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  • [Remarks] 東工大ニュース:光が当たると光合成酵素が活性化する分子メカニズム

    • URL

      https://www.titech.ac.jp/news/2022/065239

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Published: 2022-07-05   Modified: 2024-12-25  

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