緑色植物の出現を可能とした葉緑体蛋白質輸送装置の構造機能ダイナミクス

• Project/Area Number: 23K27129
• Project/Area Number (Other): 23H02436 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43030:Functional biochemistry-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 中井 正人 大阪大学, 蛋白質研究所, 准教授 (90222158)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000); Fiscal Year 2027: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2026: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2025: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2023: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
• Keywords: 葉緑体 / タンパク質輸送 / オルガネラ生合成 / 緑色植物 / 分子進化 / 蛋白質輸送 / オルガネラ / 光合成 / 生体膜 / 植物 / 藻類 / 進化

Outline of Research at the Start

地球上ほぼ全ての光合成真核生物に存在する光合成を営む葉緑体は、昔、既にミトコンドリアを確立させた真核細胞と、酸素発生を伴う光合成を営むシアノバクテリアとの間で成立した内共生にその起源を有する。葉緑体は現在でもゲノムを持つが、コードされる蛋白質は100種類程度であり、葉緑体機能を支える遺伝子の大部分は核ヘ移っている。現在では2000種類を超える葉緑体蛋白質が核コードで、サイトゾルで合成されたのち、葉緑体へ運ばれる必要がある。「葉緑体への蛋白質輸送機構がどのように確立し実際に作動しているのか？」「葉緑体蛋白質輸送機構の変化が藻類や植物の進化に与えたインパクトは何か？」が、本研究の「問い」である。

Outline of Annual Research Achievements

真核細胞内には生体膜で囲まれた様々なオルガネラが存在し、それぞれが特化した代謝機能を分担することで複雑な細胞機能を維持している。各オルガネラの機能を支えているのは、それらに特異的に送り込まれる蛋白質のセットである。オルガネラを構成する蛋白質は基本的には核ゲノムにコードされており、サイトゾルのリボソームで合成された後に、各オルガネラに輸送される。蛋白質はそのままでは生体膜を一方向的に通過する事はできない。従って、オルガネラ内への蛋白質の輸送で鍵となる分子装置は、生体膜を隔てての蛋白質の膜透過を行うトランスロコンである。このようなトランスロコンの構造機能ダイナミクスの解明は、各オルガネラ機能の理解に必須であるだけでなく、細胞全体が、どのように形成維持されているのかを理解する上で、細胞構築の基本原理として重要な研究課題となっている。申請者が研究対象とするオルガネラである葉緑体も、その一つである。2000種類を超える葉緑体蛋白質の遺伝子が核コードである。これらはサイトゾルの遊離リボソームで合成されたのち、トランジット配列と呼ばれるアミノ末端に付加された葉緑体ターゲティング配列に従い、葉緑体へ運ばれる必要がある。「藻類や植物発展の原動力となった葉緑体への蛋白質輸送機構がどのように確立し実際に作動しているのか？」「そのような葉緑体蛋白質輸送機構の変化が藻類や植物の進化に与えたインパクトは何だったのか？」の二つの問いの解明を目指す。初年度の解析では、前者の問いに関しては、輸送装置の超複合体の大量精製の条件検討を行い、一部については構造解析へと進めている。また第二の問いに対しては、進化の段階の異なる複数の植物種、および、藻類について、葉緑体蛋白質輸送の鍵となる因子の解析を遺伝情報は種々のスクリーニング手法により選び出し、それぞれについて、生化学的、遺伝学的解析を進めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

われわれが同定した植物葉緑体内包膜の蛋白質膜透過装置および輸送モーターの、作動原理を解明するには、その超複合体の構造情報の取得が欠かせない。それぞれの精製条件を再検討することで、超複合体の精製の足掛かりを得る事ができた。今後、さらなるスケールアップにより、構造決定へと進みたい。また、進化的見地からの、多種の植物および藻類を対象とする解析においても、非常に興味深い新奇因子や知見が得られつつある。

Strategy for Future Research Activity

初年度の解析を引き続き進めていくことが重要であり、最初の研究計画を維持して、さらに、新たな精製手法や解析手法も常にサーチして、取り入れられるものは、積極的に試してみたいと考えている。