2018 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | New Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system |
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| Project/Area Number |
16H06556
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
久堀 徹 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (40181094)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 啓亮 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (40632310)
矢守 航 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (90638363)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | ATP合成酵素 / γサブユニット / εサブユニット / 酸化還元制御 / サイクリック電子伝達 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究計画班では、①プロトン駆動力形成の理解に基づく機能強化、②プロトン駆動力消費過程の理解に基づくATP合成能力の向上、③還元力の再分配を主眼として、プロトン駆動力制御による光合成の再最適化を最終目標として研究を行っている。本年度は、これについて、下記の通り、研究を進めた。
①サイクリック経路を構成するPGR5タンパク質とNDH複合体のそれぞれの発現抑制株を用いて、遠赤色光下におけるCO2固定速度、気孔開度、光化学系Iや光化学系IIの電子伝達速度を解析した。また、シロイヌナズナを用いた変動光環境下における変異体スクリーニングによって複数の候補株を単離し、それらの原因遺伝子の同定を行った。
②シアノバクテリアを形質転換し、制御装置に異常をもったATP合成酵素のATP合成活性をリポソーム再構成法によって評価した。また、光合成生物のATP合成酵素特有の制御機構を理解するため、γサブユニットとεサブユニット部分複合体の結晶構造解析を行い、この構造に基づく生化学的解析を行って、論文発表した。得られた結晶構造に基づいて種々の変異タンパク質複合体を作成し、制御サブユニットの構造と機能の関係を生化学および1分子回転観察法により調べた（論文投稿中）。さらに、緑藻を用いたATP合成酵素解析の実験系を確立した。
③光合成の機能制御に重要な還元力の伝達経路の機能を解析することを目的として、チオレドキシン還元酵素からチオレドキシンを解した還元力フローの速度論的解析を進めた。また、電子伝達による制御の実体を解明するため、酸化側経路の全体像を明らかにして論文発表した。シアノバクテリアの酸化還元調節を受けている酵素の制御の分子機構を解明し、論文発表した。さらに、細胞内酸化還元状態のリアルタイム測定を可能にする蛍光センサーの構造と機能を明らかにして論文発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
下記の三項目に関する本年度の進捗状況は下記の通りである。
①遠赤色光下における光合成の変動光応答では、遠赤色光の効果は特に弱光時に顕著であることを示した。そして、イネとシロイヌナズナを用いた研究によって、遠赤色光存在下では、NDH複合体が変動光環境におけるプロトン駆動力形成に重要であることを明らかにした。また、変動光環境下における変異体スクリーニングによって、原因遺伝子を複数同定することに成功した。
②シアノバクテリアATP合成酵素複合体の結晶構造が明らかになったことで、この構造をもとにして、予想される立体構造変化に制限を加える、構造を削除するなどの変異タンパク質複合体を作成し、その機能を生化学、1分子生化学の両面から検証することが出来たことで、先進的な成果を上げた。
③還元力の再分配を理解するため、酸化還元制御の鍵タンパク質であるチオレドキシンに注目し、チオレドキシンへの還元力供給経路、チオレドキシンからの還元力供給経路、および、標的酵素の酸化に必須の因子の解析を進めた。その結果、葉緑体内で働く酸化に重要な新たなタンパク質、および、その酸化経路を発見し、当該分野で先導的な成果を上げた。また、シアノバクテリアの酸化還元調節機構を研究し、新たな酸化還元調節を分子レベルで解明した。
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| Strategy for Future Research Activity |
①変異体スクリーニングによって原因遺伝子を同定した複数の候補株において、光合成の変動光応答メカニズムを精査する。機能解析センターによるメタボローム解析を含むオミクス解析をさらに進め、変動光環境下において電子伝達系と炭素代謝活性の関係を調べ、光合成再最適化の技術基盤の確立を目指す。
②シアノバクテリアから得たATP合成酵素複合体をリポソームに再構成する方法については、結晶構造をベースとして様々な変異タンパク質複合体を作成してこれらの機能評価を行う。また、本年度に確立した緑藻クラミドモナスのATP合成酵素複合体簡易精製法を利用して、光合成機能とリンクした制御機構に変異を持つATP合成酵素の制御と活性の関係を明らかにする。栗栖班と協力してプロトン輸送経路の重要残基を予測し、プロトン輸送の変異株を作成して、その生化学的解析を行う。
③新規に発見した酸化因子について、これが葉緑体内でどのように働くのか、その普遍性はあるのか、など生理生化学実験を推進する。シアノバクテリアでは、環境条件の変動に対して酸化還元制御系がどのように応答し、細胞内の恒常性および機能維持に重要な役割を果たしているのかを明らかにする。
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[Presentation] 光合成誘導反応のイネ品種間差に関わる生理的要因の解析2019
Author(s)
安達俊輔, 田中佑, 宮城敦子, 鹿島誠, 手塚あゆみ, 戸谷吉博, 小林俊造, 大久保智司, 清水浩, 川合真紀, 永野惇, 矢守航
Organizer
日本作物学会
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