2019 Fiscal Year Research-status Report
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19K06700
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
田中 歩 北海道大学, 低温科学研究所, 名誉教授 (10197402)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | クロロフィル / 進化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
物質、エネルギー代謝は生命活動の中心的な役割を担っている。それらを構成する酵素がどのように誕生し、新しい代謝経路が出現したのかは、生物進化の研究において最も興味深い問いの一つである。そのため、これまでに様々な手法を用いてこれらの課題に取り組まれてきた。酵素は生理的な役割を担う触媒活性以外に、生理的には意味のない触媒活性（promiscuous activity)を併せ持っている。本研究の目的は、このpromiscuousな活性がどのようにして新しい酵素の誕生へとつながったのかを明らかにし、酵素の誕生と進化のモデルを提案することである。
陸上植物の光合成装置はもともと陸上植物の祖先に共生したシアノバクテリア由来のものであると考えられている。つまり、陸上植物がもともとは持っていなかった遺伝子をシアノバクテリアから取り込んで利用している。このことは他の生物由来の遺伝子を植物が利用していることを明瞭に示している。我々はこれまでに光合成に関わるクロロフィルの代謝系を調べる過程で、シアノバクテリアのクロロフィル合成系の酵素がpromiscuousな活性を持ち、その活性を利用して陸上植物ではクロロフィル分解系を構築した報告してきた。このように、クロロフィル代謝は酵素の誕生の進化モデルの解明に適した材料である。本研究の課題の解決のためにクロロフィル代謝に関わる酵素の解析を進める。
本研究の成果は、遺伝子の改変による人工的な代謝系を利用した有用物質の生産などに応用できる可能性がある。
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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
ほとんどの酵素は、生理的な役割を持った触媒活性以外に、生理的役割のないpromiscuousな活性を持っている。このpromiscuousな活性は選択圧を受けないため低い状態に保たれていると予想されている。そしてpromiscuousな活性が有用となった場合、選択圧を受けるため、この活性が高まると考えられている。しかし、このシナリオを支持する具体的な酵素進化の例は限られており、概念が先行したシナリオをも言える。また、promiscuousな活性が低い場合、選択圧を受けることができず、その活性を高めることができない。そこで本研究で、申請者は次の二つの考え方を取り入れた酵素の進化モデルを実例をもって提案する。第一はpromiscuousな活性に揺らぎがあり、活性が高い場合も、低い場合もあること。第二は、遺伝子の水平移動を組み込んだ酵素進化のシナリオである。
昨年度はクロロフィルの分解の最初の段階を触媒するMg脱離酵素（SGR）について研究を進めた。その結果、光合成を行わない枯草菌などの細菌にSGRと相同な遺伝子が存在し、それが実際にMg脱離活性を示し、さらに植物のSGRと比較して多彩な基質を代謝できることを明らかにした。このことは選択圧のかからない細菌の中に存在したMg脱離活性を持つ酵素の遺伝子が、植物の祖先に推定伝播したことを示している。
本年度は細菌と植物の酵素の活性を比較し、植物内での選択圧がある環境での酵素の進化を明らかにする。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究において、我々の見出したSGRを材料とし、細菌の6つのSGRホモログ、および植物のSGRの組み換えタンパク質を利用し、酵素のVmaxとKm値を測定した。また、植物のSGRはクロロフィルaを基質とするが、細菌のSGRホモログはクロロフィルa以外にもクロロフィルbなど様々な基質を代謝することを示した。これらを通して細菌のSGRホモログはpromiscuousな活性を持ち、植物の祖先に取り込まれた段階で基質特異性を高め、クロロフィルの代謝系を構築していったことが示された、この内容を論文として報告した。
本年度はこの成果を発展させ、以下の研究を実施する。
１、緑色植物がSGRを獲得した時の再現実験。バクテリアのSGRホモログを植物に導入し、どのような現象が引き起こされるかを検討する。特に、クロロフィルや光化学系の分解が起こるのか、もしくは他の形質が現れるのかを調べる。このことによって、水平移動した時に起こった事柄を予測する。
２、バクテリアのSGRホモログの本来の機能解析。この酵素の本来の機能を知ることはpromiscuousな活性の理解にも重要である。そこでSGRを持ち形質転換可能な枯草菌においてホモログ遺伝子を破壊し、その形質を解析する。現在のところ、酵素の可能性が高いので、メタボローム解析を行い特異的な分子の変動を見ることで、機能を推定する。さらにこの遺伝子と共発現する遺伝子を探索し、その遺伝子の機能から推定する。
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Research Products
(5 results)
