2019 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 / 酸化還元制御 / サイクリック電子伝達 / チオレドキシン / 光合成電子伝達 |
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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還元力の再分配の三点を主眼として、研究を行っている。本年度の実績の概要は以下の通りである。
①自然環境での光合成機能の強化の方策を確立するために、変動光に対する光合成応答を解析した。イネを用いて変動する光環境に対する光合成応答を解析し、強光照射直後のCO2同化速度が速い品種は、光化学系IIおよびIの電子伝達速度の上昇やカルビン回路内の複数の代謝産物の誘導が早いことを明らかにした。また、植物体全体への光照射は１個葉のみへの光照射と比較して、光合成誘導が促進されることを見出した。
②昨年度報告したシアノバクテリアATP合成酵素の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の結果に基づいて、両サブユニットの相互作用を解析し、論文発表した。また、ATP合成酵素の活性制御サブユニットであるεサブユニットの構造と機能の詳細を調べ、論文発表した。さらに、緑藻を用いたATP合成酵素完全複合体の単離を実現し、活性制御の詳細な解析を行うための実験手法を確立した。
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の研究では、昨年度明らかにした酸化側経路の生理的な役割を明らかにして、論文発表した。また、酸化還元制御の鍵タンパク質であるチオレドキシンの標的分子認識に重要なアミノ酸を特定し、論文発表した。さらに、チオレドキシンの細胞内における酸化還元状態をリアルタイム測定する蛍光センサーを開発し、明暗条件での細胞内の変化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協調的な制御の分子機構を解明し、論文発表した。
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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
１．電子伝達（矢守）：野外において地上に降り注ぐ太陽光には、可視光領域の光以外に遠赤色光も豊富に含まれている。これまで遠赤色光は光合成反応に重要でないと考えられてきた。しかし、遠赤色光は変動光環境における光合成応答に重要な役割を果たし、特に、サイクリック経路を構成するNDH複合体がその応答に関与することを見出した。そこで現在、NDH複合体の欠損変異体シロイヌナズナを用いて、変動光に対するNDH複合体の役割を検証している。また、変動光に対する光合成応答機構を包括的に解明するために、変異体スクリーニングを継続して行っており、これまでに複数の候補株を単離することができ、原因遺伝子を同定している状況にある。
２．ATP合成（久堀）：シアノバクテリアATP合成酵素複合体の結晶構造をもとにして、予想される立体構造変化に制限を加えることのできる変異タンパク質を作成し、生化学的な解析を行って、タンパク質の構造変化と活性制御の関係に関して新たな知見を得た。内在性阻害サブユニットεについても、光合成生物特有の構造と機能の関係を明らかにした。
３．還元力の分配（吉田）：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、チオレドキシンの標的タンパク質分子認識に重要なアミノ酸の同定、明暗変化に伴う細胞内でのチオレドキシンの酸化還元状態変化のリアルタイム可視化を可能にするセンサーを実現などの成果をあげた。新たに発見した葉緑体内で働く酸化経路についても、実際に酸化によって制御を受ける酵素タンパク質の生化学的解析を行った。さらに、シアノバクテリアの酸化還元調節機構と光合成の協調に関して、新たな知見を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．電子伝達（矢守）：昨年度に引き続き、自然環境での光合成機能の強化の方策を確立するために、変動光環境下での電子伝達の最適化に関わる因子の特定を行う。これまでの解析により表現型が顕著である遺伝子欠損変異体やそれらの過剰発現株を作製し、電子伝達機能の解析を行う計画である。また、機能解析センターによるトランスクリプトーム解析や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．ATP合成（久堀）：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、昨年度に引き続き、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機能評価を行う。また、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。この実験系を用いて、予想されるプロトン輸送経路の重要残基の変異がプロトン輸送に及ぼす影響を調べる。
３．還元力の分配（吉田）：葉緑体の酸化因子の機能、多様性について、生理生化学実験を推進する。還元力を伝達するチオレドキシンについては、標的への還元力分配の速度の違いの原因となるタンパク質側の要因を明らかにする。シアノバクテリアでは、環境条件の変動に対する活性酸素除去系の機能を明らかにして、細胞内の恒常性および機能維持に果たす役割を明らかにする。
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