Origin of photosynthetic oxygen evolution on ancient Earth
| Project/Area Number |
22K19270
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
野口 巧 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (60241246)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 光合成 / 光化学系Ⅱ / 酸素発生 / 水分解 / アミノ酸変換 / 進化 / マンガンクラスター |
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| Outline of Research at the Start |
約24億年前のシアノバクテリアにおける酸素発生型光合成による酸素放出（大酸化イベント）は、地球大気を酸化型大気に変え、その後の酸素呼吸生命の進化を促した。一方、「大酸化イベント」の数億年前から酸素が存在していた痕跡が報告されており、光合成酸素発生の起源は謎として残されている。本研究では、シアノバクテリアへの変異導入によって、酸素発生の触媒部位であるMnクラスターの配位子系が未完成の祖先型光化学系Ⅱを再現し、光合成酸素発生の起源と進化過程を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々はシアノバクテリアの光化学系Ⅱタンパク質において、酸素発生の触媒部位であるマンガンクラスターの配位子（アスパラギン酸D1-D170）のヒスチジン変異体(D1-D170H)を作製すると、アミノ酸変換を起こして本来のアスパラギン酸に戻り、酸素発生が回復する現象を既に見出していた。このアミノ酸変換が、DNAあるいはRNAレベルではなく、翻訳後にタンパク質レベルで起こることを、13C同位体置換ヒスチジンを導入した光化学系Ⅱ試料の赤外分光および液体クロマトグラフ質量分析に解析によって証明した。また、他のカルボキシレート配位子であるD1-E189およびD1-D342を、アミド基を持つアミノ酸（E189Q, D432N）に変換した場合でも翻訳後アミノ酸変換が起こって本来のアミノ酸に戻ること、そして、炭素鎖の短いアラニンへの変異体ではアミノ酸変換が起こらないことを明らかにした。これらのことから、このアミノ酸変換は光化学系Ⅱの酸素発生系に一般的な現象であり、十分な炭化水素鎖を持つアミノ酸がアスパラギン酸またはグルタミン酸に変換されて酸素発生系を形成されることが示された。これらのアミノ酸変換は、光を用いたマンガンクラスターの構築過程（光活性化）において生成する活性酸素による酸化、あるいはアミド基の加水分解によって行われると推測した。
こうした光化学系Ⅱの翻訳後アミノ酸変換現象の発見に基づき、30億年以上前の太古の地球において、配位子系が未完成の祖先型光化学系Ⅱで翻訳後アミノ酸変換が起こり、カルボキシル配位子が生成して始原的なマンガンクラスターが形成され、最初の酸素発生が行われた、との独自の仮説を初めて提唱した（Shimada et al., Nature Commum. 2022）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
我々が既に報告していた光化学系Ⅱにおけるアミノ酸変換が、DNAレベルではなく、タンパク質レベルで起こる現象であることを、同位体置換アミノ酸を用いて確実に証明することができた。また、いくつかの配位子位置での変異体により、この現象はマンガンクラスターの配位子系で一般的に起こることを示した。そして、この翻訳後アミノ酸が太古の地球における酸素発生の起源であるとの全く新規な仮説を学術雑誌（Nature Commun.）、国際会議、総説、および新聞（科学新聞）上において、国内外に公表することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに証明できたアミノ酸変換は、イミダゾール基を持つヒスチジンからアスパラギン酸へ、また、アミド基をもつアスパラギンおよびグルタミンからアスパラギン酸およびグルタミン酸への変換のみであり、他のアミノ酸が変換される実験的証拠は未だ得られていない。そこで、他のアミノ酸、特に脂肪族アミノ酸や芳香族アミノ酸がカルボキシル基を持つアスパラギン酸またはグルタミン酸に変換されるかどうかを調べる。また、これまでに調べられた３つの配位子（D1-D170, D1-E189, D1-D342）以外のカルボキシレート配位子（D1-E333、CP43-E354）の変異体でもアミノ酸変換が起こるかどうかを調べる。それらが可能であれば、本研究で見出した光化学系Ⅱの翻訳後アミノ酸変換が極めて一般的な現象であり、太古の地球における酸素発生の起源となり得ることを強く支持することになる。
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Report
(1 results)
Research Products
(12 results)
