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2020 Fiscal Year Research-status Report

Elucidation of photosynthetic electron transfer mechanism by ultra-high resolution x-ray structural analysis.

Research Project

Project/Area Number 19K06524
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

田中 秀明  大阪大学, 蛋白質研究所, 准教授 (40346169)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Keywordsフェレドキシン / FNR / 高精度構造解析 / X線結晶構造解析 / 中性子結晶構造解析 / 光合成電子伝達
Outline of Annual Research Achievements

光合成生物のレドックス代謝反応の多くは、植物型フェレドキシン(Fd)に依存して駆動される。これまで、Fdとレドックス代謝酵素の複合体形成の研究では、反応が進行すると複合体が解離してしまうことから、全て「酸化型Fd」と「酸化型酵素」の非生理ペアを用いて研究が進められてきた。本研究提案では、再構成金属タンパク質を用いて、X線と中性子線とを効果的に併用することで、原理的に不可能と考えられてきた「酸化型」と「還元型」による活性型複合体の精密構造解析を行う。これまで、アミノ酸レベルで理解されてきたFdとレドックス代謝酵素の相互作用を水素原子も含めた全ての原子位置を基に理解し、関連研究に新風をもたらすことを目的とする。これまでにFdとFdが電子を渡す相手であるFNRの超高分解能X線結晶構造解析、さらには放射線損傷による還元を考慮しながらデータ収集を行った超精密構造解析については結果を得ることに成功した。これまで報告されていたFdやFNRの超高分解能構造は、放射線損傷による影響で酸化型と還元型が混ざった状態であった。しかし、今回の超高精度構造解析の結果、完全酸化型および完全還元型Fdの構造を超高分解能で決定する事に成功し、FdおよびFNRの酸化還元に伴う微細な構造変化を明らかにすることができた。また、FNRの中性子回折実験では、2オングストローム分解能を越える良質な大型結晶の作製に成功しており、データ収集の目途が立った。今後はFNRの中性子回折実験においてフルデータセットの収集を目指すとともにFd(red)のアナログであるS46G変異体およびFd(oxi)のアナログであるGaFdを用いる事で安定な複合体結晶を得て、両者の構造を超高分解能X線結晶構造解析と中性子結晶構造解析を用いたハイブリッド構造解析によって決定し、水素原子を含めた精密な全原子座標をもとに電子伝達および逆流防止メカニズムの解明を目指す。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

これまでにFdとFdが電子を渡す相手であるFNRの超高分解能X線結晶構造解析、さらには放射線損傷による還元を考慮しながらデータ収集を行った超精密構造解析については結果を得ることに成功した。Fdの超精密構造解析の結果からは、Fdの完全酸化型および完全還元型の構造決定に成功し、FdからFNRに電子が受け渡された後に起こると考えられる微細な構造変化を観察することに成功した。また、FNRの中性子回折実験では、2オングストローム分解能を越える良質な大型結晶の作製に成功しており部分的なデータ収集を行って解析中である。

Strategy for Future Research Activity

今後はFdおよびFNRの中性子回折強度データの収集に取り組む。FNRについては、2オングストローム以上の反射が得られる良質な大型結晶を得る事に成功し、部分的なデータ収集を行って解析中である。令和3年度中にフルセットデータを収集する予定である。また、Fd(red)のアナログであるS46G変異体およびFd(oxi)のアナログであるGaFdを用いる事で安定な複合体結晶を得て、両者の構造を超高分解能X線結晶構造解析と中性子結晶構造解析を用いたハイブリッド構造解析によって決定し、水素原子を含めた精密な全原子座標をもとに電子伝達および逆流防止メカニズムの解明を目指す。

  • Research Products

    (7 results)

All 2020

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (5 results) (of which Invited: 2 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] X-ray dose-dependent structural changes of the [2Fe-2S] ferredoxin from Chlamydomonas reinhardtii2020

    • Author(s)
      Ohnishi Y, Muraki N, Kiyota D, Okumura H, Baba S, Kawano Y, Kumasaka T, Tanaka H, Kurisu G.
    • Journal Title

      J. Biochem.

      Volume: 167 Pages: 549-555

    • DOI

      10.1093/jb/mvaa045.

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] フェレドキシンによる電子伝達メカニズムの解明を目指して2020

    • Author(s)
      田中秀明
    • Organizer
      2020年度第1回iBIX研究会(主催:茨城件中性子利用研究会)
    • Invited
  • [Presentation] 精密構造解析による光合成電子伝達メカニズムの解明2020

    • Author(s)
      田中秀明
    • Organizer
      原子分解能ホログラフィー・不規則系機能性材料合同研究会(主催:SPRUC原子分解能ホログラフィー研究会、不規則系機能性材料合同研究会)
    • Invited
  • [Presentation] 植物型フェレドキシンの酸化還元に伴う構造変化とその役割2020

    • Author(s)
      大西裕介、田中秀明、栗栖源嗣
    • Organizer
      令和2年度日本結晶学会年会
  • [Presentation] Structure basis for Thioredoxin isoform-based fine tuning of Ferredoxin-Thioredoxin Reductase activity.2020

    • Author(s)
      L.Juniar, H. Tanaka, K. Yoshida, T.Hisabori and G. Kurisu,
    • Organizer
      令和2年度日本結晶学会年会
  • [Presentation] 高等植物型ヘムオキシゲナーゼの構造・相互作用解析2020

    • Author(s)
      東田怜、田中秀明、武藤梨沙、張旭紅、李映昊、小沼剛、池上貴久、右田たい子、栗栖源嗣
    • Organizer
      令和2年度日本結晶学会年会
  • [Book] 生体の科学 「環境変化に応じて光化学系Iが形成する様々な超複合体の構造」2020

    • Author(s)
      田中秀明、栗栖源嗣
    • Total Pages
      348-352
    • Publisher
      医学書院

URL: 

Published: 2021-12-27  

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