Structural and functional analysis of novel molecules regulating C4 photosynthesis

• Project Area: New Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system
• Project/Area Number: 19H04735
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: 松村 浩由 立命館大学, 生命科学部, 教授 (30324809)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: C4光合成 / 調節因子 / 調節機構 / 構造機能解析 / 構造機能相関

Outline of Research at the Start

本研究では、光合成調節因子であるCP12分子群の分子生物学的役割を分子集合レベル、タンパク質構造レベル、および速度論的に解明し、C4光合成調節の分子機構モデルを構築する。申請者は、これまで光合成カルビン回路の調節因子であるCP12の構造生物学的な先駆的研究を行ってきたが、最近、共同研究者らによって、CP12様タンパク質CP12-3がフラベリアにおけるC4光合成の重要因子であることが分かった。本研究では、CP12分子群が形成する複合体の解析を進め、環境変動に応答するための光合成調節機構の分子機構モデルを構築する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、C4光合成の律速因子として同定されたCP12-3を研究対象として、（１）CP12-3の構造機能解析を実施した。それに加えて新学術領域の他の研究者と共同で（２）光合成関連酵素群の構造機能解析を行った。以下に詳細を述べる。
（１）については、フラベリアCP12-3の発現・精製、ならびにCP12-3の結合標的候補の酵素としてMDH, NADP-ME, PRK, GAPDHの発現・精製を試みた。CP12-3, MDH, NADP-MEについては大腸菌での発現・精製系構築することができた。さらに、これまで達成できてこなかったGAPDHについては、CP12-3と共発現することによって、大腸菌での発現・精製系を構築することができた。その後、CP12-3とGAPDHが相互作用することがわかったため、CP12-3とGAPDHの相互作用解析を実施した。その結果、CP12-3がGAPDHの非特異的な集合を抑制する可能性を見出だすことができた。さらに、CP12-3/GAPDH複合体、およびGAPDH単体の構造解析に取り組んだ結果、GAPDH単体の構造解析に成功した。通常、四量体で存在するGAPDHが二量体で存在することが明らかとなり、この結果からCP12-3の新しい機能、すなわちGAPDHの構造安定化に寄与する可能性が示された。
（２）については、ソルガムRubiscoのRbcSをイネに導入し、さらにCRISPR-Cas9で野生型イネ（Nipponbare）のRbcSをノックアウトしてハイブリッドRubiscoを作成したところ、酵素活性が1.9倍、光合成活性も1.2倍程度上昇することが分かった。その成果を最近論文として発表することができた（Mol Plant, 13, 1570, 2020)。現在は、この分子機構を元に、ソルガムとは異なるRbcS遺伝子を導入した改良型イネの研究を展開し、さらに詳細な分子機構がわかりつつある。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Structure-function studies of ultrahigh molecular weight isoprenes provide key insights into their biosynthesis (2021)
  • Author(s): Kajiura Hiroyuki、Yoshizawa Takuya、Tokumoto Yuji、Suzuki Nobuaki、Takeno Shinya、Takeno Kanokwan Jumtee、Yamashita Takuya、Tanaka Shun-ichi、Kaneko Yoshinobu、Fujiyama Kazuhito、Matsumura Hiroyoshi、Nakazawa Yoshihisa
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 4 Issue: 1 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1038/s42003-021-01739-5
  • NAID: 120007147662
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mechanism of karyopherin-β2 binding and nuclear import of ALS variants FUS(P525L) and FUS(R495X) (2021)
  • Author(s): Gonzalez Abner、Mannen Taro、Cagatay Tolga、Fujiwara Ayano、Matsumura Hiroyoshi、Niesman Ashley B.、Brautigam Chad A.、Chook Yuh Min、Yoshizawa Takuya
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 3754-3754
  • DOI: 10.1038/s41598-021-83196-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamic Assembly/Disassembly of Staphylococcus aureus FtsZ Visualized by High-Speed Atomic Force Microscopy (2021)
  • Author(s): Fujita Junso、Sugiyama Shogo、Terakado Haruna、Miyazaki Maho、Ozawa Mayuki、Ueda Nanami、Kuroda Natsuko、Tanaka Shun-ichi、Yoshizawa Takuya、Uchihashi Takayuki、Matsumura Hiroyoshi
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 22 Issue: 4 Pages: 1697-1697
  • DOI: 10.3390/ijms22041697
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of Introduction of Sorghum RbcS with Rice RbcS Knockdown by RNAi on Photosynthetic Activity and Dry Weight in Rice. (2021)
  • Author(s): Kazuma Sakoda , Akito Yamamoto , Chie Ishikawa , Yojiro Taniguchi , Hiroyoshi Matsumura & Hiroshi Fukayama
  • Journal Title: Plant Production Science Volume: in press Issue: 3 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1080/1343943x.2020.1847669
  • NAID: 120007125729
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of nuclear import receptors on liquid–liquid phase separation (2020)
  • Author(s): Yoshizawa Takuya、Matsumura Hiroyoshi
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 17 Issue: 0 Pages: 25-29
  • DOI: 10.2142/biophysico.BSJ-2019052
  • NAID: 130007828794
  • ISSN: 2189-4779
  • Year and Date: 2020-04-04
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Insertion loop‐mediated folding propagation governs efficient maturation of hyperthermophilic Tk‐subtilisin at high temperatures (2020)
  • Author(s): Uehara R., Dan N., Amesaka H., Yoshizawa T., Koga Y.., Kanaya S., Takano K., Matsumura H., Tanaka SI.
  • Journal Title: FEBS letters Volume: 594 Issue: 4 Pages: 452-461
  • DOI: 10.1002/1873-3468.14028
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hybrid Rubisco with Complete Replacement of Rice Rubisco Small Subunits by Sorghum Counterparts Confers C4-Plant-like High Catalytic Activity (2020)
  • Author(s): Hiroyoshi Matsumura, Keita Shiomi, Akito Yamamoto, Yuri Taketani, Noriyuki Kobayashi, Takuya Yoshizawa, Shun-ichi Tanaka, Hiroki Yoshikawa, Masaki Endo, Hiroshi Fukayama,
  • Journal Title: Molecular Plant Volume: 13 Issue: 11 Pages: 1570-1581
  • DOI: 10.1016/j.molp.2020.08.012
  • NAID: 120006919994
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal structure of a GH1 β‐glucosidase from Hamamotoa singularis (2020)
  • Author(s): Uehara Ryo、Iwamoto Riki、Aoki Sayaka、Yoshizawa Takuya、Takano Kazufumi、Matsumura Hiroyoshi、Tanaka Shun‐ichi
  • Journal Title: Protein Science Volume: 29 Issue: 9 Pages: 2000-2008
  • DOI: 10.1002/pro.3916
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Affinity shift of ATP upon glycerol binding to a glycerol kinase from the hyperthermophilic archaeon Thermococcus kodakarensis KOD1 (2020)
  • Author(s): Hokao R., Matsumura H., Katsumi R., Angkawidjaja C., Takano K., Kanaya S., Koga Y.
  • Journal Title: J. Biosci. Bioeng. Volume: 129 Issue: 6 Pages: 657-663
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2019.12.008
  • NAID: 40022261697
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal structures of the cell-division protein FtsZ from Klebsiella pneumoniae and Escherichia coli (2020)
  • Author(s): Yoshizawa Takuya、Fujita Junso、Terakado Haruna、Ozawa Mayuki、Kuroda Natsuko、Tanaka Shun-ichi、Uehara Ryo、Matsumura Hiroyoshi
  • Journal Title: Acta Crystallographica Section F Structural Biology Communications Volume: 76 Issue: 2 Pages: 86-93
  • DOI: 10.1107/s2053230x2000076x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure-Guided Design of a Fluorescent Probe for the Visualization of FtsZ in Clinically Important Gram-Positive and Gram-Negative Bacterial Pathogens (2019)
  • Author(s): Ferrer-Gonzalez Edgar、Fujita Junso、Yoshizawa Takuya、Nelson Julia M.、Pilch Alyssa J.、Hillman Elani、Ozawa Mayuki、Kuroda Natsuko、Al-Tameemi Hassan M.、Boyd Jeffrey M.、LaVoie Edmond J.、Matsumura Hiroyoshi、Pilch Daniel S.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 20092-20092
  • DOI: 10.1038/s41598-019-56557-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] C4光合成必須因子CP12-3およびその標的酵素GAPDHの構造機能解析 (2021)
  • Author(s): 松村浩由
  • Organizer: 新学術領域秋期領域会議
• [Presentation] Molecular basis of Karyopherin-β2 binding and nuclear import of ALS-related FUS (2020)
  • Author(s): Takuya Yoshizawa, Taro Mannen, Ayano Fujiwara, Hiroyoshi Matsumura
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Enzymatic activity of RNase H2 toward oxidized and abasic ribonucleoside monophophates embedded in DNA (2020)
  • Author(s): Yuki Ishizuka, Ryo Uehara, Takuya Yoshizawa, Hiroyoshi Matsumura
  • Organizer: 2020 World Conference on Protein Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crystallographic studies of the cell-division protein FtsZ from Klebsiella pneumoniae and Escherichia coli (2020)
  • Author(s): Takuya Yoshizawa, Junso Fujita, Mayuki Ozawa, Natsuko Kuroda, Shun-ich Tanaka, Ryo Uehara, Hiroyoshi Matsumura
  • Organizer: 2020 World Conference on Protein Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PR poly-dipeptide blocks the chaperone activity of the Karyopherinβ2 for the Fused in sarcoma (2020)
  • Author(s): Takeru Uehara, Ayano Fujiwara, Ryo Uehara, Takuya Yoshizawa, Hiroyoshi Matsumura
  • Organizer: 2020 World Conference on Protein Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural analysis of FtsZ in complex with a fluorescent probe BOFP designed from binding structure of drug (2020)
  • Author(s): Natsuko Kuroda, Takuya Yoshizawa, Ryo Uehara, Junso Fujita, Mayuki Ozawa, Haruna Terakado, Daniel S. Pilch, Hiroyoshi Matsumura
  • Organizer: 2020 World Conference on Protein Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞分裂タンパク質FtsZに特異的に結合する蛍光プローブの開発 (2020)
  • Author(s): 黒田 奈津子、吉澤 拓也、上原 了、藤田 純三、小澤 真由季、寺門 榛名、Daniel S. Pilch、松村浩由
  • Organizer: 日本農芸化学会関西支部例会（第512回）
• [Presentation] 毒性ポリペプチドによる相分離シャペロン阻害 (2019)
  • Author(s): 藤原彩乃、上原 武尊、上原 了、吉澤 拓也、松村 浩由
  • Organizer: 第4回LLPS研究会・ASUKA若手交流会2019
• [Presentation] 光合成関連酵素の構造機能解析 (2019)
  • Author(s): 松村 浩由
  • Organizer: 新学術領域研究「新光合成」2019年度秋期領域会議
• [Presentation] 30°Cおよび15°Cで栽培したホウレンソウRubiscoのX線構造解析 (2019)
  • Author(s): 西川 雄裕、上原 了、吉澤 拓也、松村 浩由
  • Organizer: 新学術領域研究「新光合成」2019年度秋期領域会議
• [Presentation] 好熱性および常温性シアノバクテリアRubiscoの構造生物学的研究 (2019)
  • Author(s): 石原 拓弥、上原 了、吉澤 拓也、松村 浩由
  • Organizer: 新学術領域研究「新光合成」2019年度秋期領域会議
• [Presentation] 炭酸固定酵素PEPCのフィードバック阻害脱感作機構の解明を目指した結晶学的研究 (2019)
  • Author(s): 堅川 舞陽、上原 了、吉澤 拓也、松村 浩由
  • Organizer: 新学術領域研究「新光合成」2019年度秋期領域会議
• [Presentation] 植物光合成の高効率化に向けたカルビン回路タンパク質の構造機能解析 (2019)
  • Author(s): 篠原 航大、上原了、吉澤 拓也、松村 浩由
  • Organizer: 新学術領域研究「新光合成」2019年度秋期領域会議
• [Presentation] Structural insight into the mechanism of Monobody-mediated alteration of enzyme substrate specificity (2019)
  • Author(s): Riki Iwamoto, Takuya Yoshizawa, Ryo Uehara, Kazufumi Takano, Shohei Koide, Hiroyoshi Matsumura, Shun-ichi Tanaka
  • Organizer: JSBBA KANSAI 6th Student Forum
• [Presentation] Structural analyses of the cell division protein FtsZ from E. coli and K. puemoniae (2019)
  • Author(s): Mayuki Ozawa, Haruna Terakado, Natsuko Kuroda, Ryo Uehara, Takuya Yoshizawa, Shun-ichi Tanaka, Hiroyoshi Matsumura
  • Organizer: JSBBA KANSAI 6th Student Forum
• [Presentation] Crystal structures of Rubisco purified from spinach grown at 30℃ and 15℃ (2019)
  • Author(s): Takahiro Nishikawa, Ryo Uehara, Takuya Yoshizawa, Wataru Yamori, Hiroyoshi Matsumura
  • Organizer: JSBBA KANSAI 6th Student Forum
• [Presentation] Toxic PR poly-dipeptide encoded by the C9orf72 targets phase separation chaperone (2019)
  • Author(s): Ayano Fujiwara, Takeru Uehara, Ryo Uehara, Takuya Yoshizawa, Hiroyoshi Matumura
  • Organizer: JSBBA KANSAI 6th Student Forum
• [Presentation] Function and structure of multiheme-containing selenoprotein (2019)
  • Author(s): Ryuta Tobe, Takuya Yoshizawa, Yukiko Izu, Mst. Ishrat Jahan, Bunta Yoshimura, Hiroyoshi Matsumura, Hisaaki Mihara
  • Organizer: 第8回国際セレン学会
• [Presentation] X-ray crystallographic analysis of S. aureus FtsZ complexed with inhibitors and a fluorescent probe (2019)
  • Author(s): Mayuki Ozawa, Junso Fujita, Takuya Yoshizawa, Natsuko Kuroda, Haruna Terakado, Ryo Uehara, Edgar Ferrer-Gonzalez, Julia M. Nelson, Alyssa J. Pilch, Elani Hillman, Ajit K. Parhi, Edmond J. LaVoie, Daniel S. Pilch, Hiroyoshi Matsumura
  • Organizer: International Symposium on Diffraction Structure Biology 2019（ISDSB2019）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural insight into the mechanism of Monobody-mediated alteration of enzyme substrate specificity (2019)
  • Author(s): Riki Iwamoto, Takuya Yoshizawa, Ryo Uehara, Kazufumi Takano, Shohei Koide, Hiroyoshi Matsumura, Shun-ichi Tanaka
  • Organizer: International Symposium on Diffraction Structure Biology 2019（ISDSB2019）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光量変動と代謝調節をつなぐ新規分子の定量的手法を取り入れた構造機能解析 (2019)
  • Author(s): 松村浩由
  • Organizer: 新学術領域研究「新光合成」2019年度春期領域会議
• [Presentation] Dynamic structural analysis and drug design of S. aureus FtsZ (2019)
  • Author(s): Hiroyoshi Matsumura, Junso Fujita, Haruna Terakado, Mayuki Ozawa, Nanami Ueda, Shun-ich Tanaka, Takuya Yoshizawa
  • Organizer: 日本細菌学会
  • Invited
• [Book] 相分離生物学の全貌（現代化学増刊46) (2020)
  • Author(s): 松村浩由、他
  • Total Pages: 4
  • Publisher: 東京化学同人
  • ISBN: 9784807913466