紅藻由来光化学系II複合体の結晶化と構造解析

• Project/Area Number: 23657037
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Plant molecular biology/Plant physiology
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 沈 建仁 岡山大学, 大学院・自然科学研究科, 教授 (60261161)
• Project Period (FY): 2011 – 2012
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2012: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2011: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 光合成 / 光化学系II / 膜タンパク質 / 酸素発生 / 結晶化 / 結晶構造 / 水分解 / 紅藻

Research Abstract

本研究の目的は、好酸・好熱性紅藻Cyanidium caldariumから高い酸素発生能を持つ光化学系II複合体(PSII)を高純度に単離精製し、その結晶化を行い、X線結晶構造を解明することである。これまですでに同紅藻PSIIの結晶化に成功しており、SPring-8の放射光X線を用いて分解能3-5AのX線回折データを収集した。本研究では、結晶の質と分解能を向上させるため、結晶化条件の改善、結晶の抗凍結剤置換条件の改善、および結晶の脱水処理条件の最適化により、2.75A分解能を与える結晶の析出に成功し、SPring-8のX線を利用して同分解能でX線回折データを収集した。さらにさまざまな重原子化合物を用いて、重原子同型誘導体を作成し、X線回折データを収集した。得られたデータを解析した結果、3種類の重原子同型誘導体から位相情報を取得した。これらの位相情報を用いて、重原子同型置換法によって分析した結果、紅藻PSIIの初期電子密度図を得た。この電子密度図に基づき、初期のPSII構造を構築した。その結果、現在高分解能で構造が解析されている好熱性シアノバクテリアThermosynechococcus vulcaflus由来PSIIでは存在しない酸素発生系の表在性サブユニット、PsbQ'の結合部位を同定することができた。さらに膜貫通領域でもシアノバクテリアPSIIでは存在しない新たなヘリックスの存在が示唆され、紅藻PSIIの構造がシアノバクテリアPSIIの構造と明らかに異なる点があることが示唆された。現在紅藻PSII構造の精密化を行っているが、本申請者が他の科研費課題の実施に専念するため、本課題は本来の研究期間より短縮して終了することになった。

Research Products

• [Journal Article] Photosystem II and the unique role of bicarbonate : A historical perspective (2012)
  • Author(s): Shevela D., Eaton-Rye J.J., Shen J.-R., Govindjee
  • Journal Title: Biochim. Biophys. Acta Volume: 1817 Issue: 8 Pages: 1134-1151
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2012.04.003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cationic state distribution over the chlorophyll d-containing P_D1/P_D2 pair in photosystem II (2012)
  • Author(s): Saito K., Shen J. -R., Ishikita H.
  • Journal Title: Biochim. Biophys. Acta Volume: 1817 Pages: 1191-1195
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Deformation of chlorin rings in the Photosystem II crystal structure (2012)
  • Author(s): Saito K, Umena Y, Kawakami K, Shen JR, Kamiya N, Ishikita H
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 51 Issue: 21 Pages: 4290-4299
  • DOI: 10.1021/bi300428s
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The structure and activation of substrate water molecules in the S_2 state of photosystem II studied by hyperfine sublevel correlation spectroscopy (2012)
  • Author(s): Milikisyants S., Chatterjee R., Coates C. S., Koua F. H. M., Shen J.-R., Lakshmi K. V.
  • Journal Title: Energy Environ. Sci. Volume: 5 Issue: 7 Pages: 7747-7756
  • DOI: 10.1039/c2ee21210b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proton-Coupled Electron-Transfer Processes in Photosystem II Probed by Highly Resolved g-Anisotropy of Redox-Active Tyrosine Y(Z) (2011)
  • Author(s): Matsuoka H., Shen J.-R., Kawamori A., Nishiyama K., Ohba Y., Yamauchi S.
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 133 Pages: 4655-4660
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural-functional role of chloride in photosystem II (2011)
  • Author(s): Rivalta I., Amin M., Luber S., Vassiliev S., Pokhrel R., Umena Y., Kawakami K., Shen J.-R., Kamiya N., Bruce D., Brudvig G. W., Gunner M. R., Batista V. S.
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 50 Pages: 6312-6315
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] S1-state model of the O2-evolving complex of photosystem II (2011)
  • Author(s): Sandra Luber, Ivan Rivalta, Yasufumi Umena, Keisuke Kawakami, Jian-Ren Shen, Nobuo Kamiya, Gary W. Brudvig, and Victor S. Batista
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 50 Pages: 6308-6311
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Distribution of the cationic state over the chlorophyll pair of photosystem II reaction center (2011)
  • Author(s): Saito K., Ishida T., Sugiura M., Kawakami K., Umena Y., Kamiya N., Shen J.-R., Ishikita H.
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 133 Pages: 14379-14388
• [Presentation] 光化学系IIの高分解構造から見えてきた水分解の反応機構 (2012)
  • Author(s): 沈建仁, 梅名泰史, 川上恵典, 神谷信夫
  • Organizer: 第59回日本生化学会近畿支部例会
  • Place of Presentation: 京都(招待講演)
  • Year and Date: 2012-05-19
• [Presentation] 光合成酸素発生を可能にする光化学系IIの原子構造 (2012)
  • Author(s): 沈建仁, 梅名泰史, 川上恵典, 神谷信夫
  • Organizer: 生化学会中国・四国支部2012年度支部会
  • Place of Presentation: 岡山(招待講演)
  • Year and Date: 2012-05-18
• [Presentation] High resolution structure of photosystem II and its implications for the mechanism of water-splitting (2012)
  • Author(s): Jian-Ren Shen
  • Organizer: Swedish Structural Biology Network 2012
  • Place of Presentation: Tallberg, Sweden(基調講演)
• [Presentation] Atomic structure of PSII that enables photosynthetic water-splitting (2011)
  • Author(s): Jian-Ren Shen
  • Organizer: Cordon Research Conference on Photosynthesis(招待講演)
  • Place of Presentation: North Carolina, USA
• [Presentation] Atomic structure of photosystem II that enables photosynthetic water-splitting (2011)
  • Author(s): Jian-Ren Shen
  • Organizer: Botanikertagung 2011, International Botanical Congress of the Germany Botanical Society(招待講演)
  • Place of Presentation: Berlin, Germany
• [Presentation] Atomic structure of PSII that enables photosynthetic water-splitting (2011)
  • Author(s): Jian-Ren Shen, Yasufumi Umena, Keisuke Kawakami and Nobuo Kamiya
  • Organizer: International Conference "Photosynthesis Research for Sustainability"(招待講演)
  • Place of Presentation: Baku, Azerbaijan