クロロフィル生合成系酵素を起源とする光依存型ニトロゲナーゼの創出

2010 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20200063
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 藤田 祐一 名古屋大学, 大学院・生命農学研究科, 准教授 (80222264)
• Keywords: プロトクロロフィリド還元酵素 / 単鎖デヒドロゲナーゼ/レダクターゼ / Synechocystis sp.PCC6803 / Synechococcus sp.CC9913 / 酵素の進化

Research Abstract

プロトクロロフィリド(Pchlide)還元酵素は、クロロフィル(Chl)生合成系において化学的に安定なポルフィリン環を還元し、Chlaの環構造クロリン環へと変換する。光合成生物には、進化的起源を異にする二つのPchlide還元酵素が存在する。一つは、NAD(P)(H)依存して多様な分子の酸化還元を行う短鎖デヒドロゲナーゼ/レダクターゼ(SDR)ファミリーに属する光依存型Pchlide還元酵素(LPOR)であり、もう一つはニトロゲナーゼと類似した暗所作動型Pchlide還元酵素(DPOR)である。広範な酸化還元酵素を包含するSDRファミリーにおいてLPORのみが光依存性というユニークな性質を示す。海洋性ラン藻Synechococcus sp.CC9311のゲノムには、LPORと類似した素をコードする遺伝子が3つ(sync_1162,sync_1967,sync_2830)存在し、既知のLPORを含めた分子系統樹においてSync_1967は既知のLPORに最も近い分岐群に属し、他の2つはさらに遠い分岐群に属していた。昨年度の生化学的解析では、Sync_1967のみLPOR活性を示したが、他の2つは発現が認められず活性の有無を結論するには至らなかった。本年度は、これらのLPOR類似遺伝子群がラン藻Synechocystis sp.PCC6803のLPOR欠損株の強光感受性を相補可能かどうかによって検討した。その結果、Sync_1967を導入した形質転換体のみが強光耐性を示したが、Sync_1162とSync_2830を導入した2株は強光感受性を相補しなかった。Synechococcus sp.CC9311は、Sync_1967のみがLPORとして機能し、他の2つは未知の機能を有していることが示唆される。次に、SDRファミリーとの類似性からLPORのループ部分(Lys131・Pro186)がLPORの光依存性の基盤になっていることが推察される。このループをLEに置き換えた短絡型LPORをLPOR欠損株相補系で検討した。その結果、この短絡型LPORをもつ形質転換体は強光感受性を相補しなかった。このことは、ルーフ構造はLPOR活性に必須であることを示唆している。これらの結果は、今後ループ構造を改変することでLPOR創出の進化を再現するための基盤となる。

Research Products

• [Journal Article] Electronic structures of a [4Fe-4S] cluster, [Fe_4S_4 (SCH_3)_3(CH_3COO)], in dark-operative protochlorophyllide reductase (DPOR). (2011)
  • Author(s): Takano, Y., Yonezawa, Y., Fujita, Y., Kurisu, G., Nakamura, H.
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 503 Pages: 296-300
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] クロロフィルを緑にする2つの還元酵素:光依存型酵素と暗所作動型酵素の反応機構と進化的考察 (2011)
  • Author(s): 藤田祐一、栗栖源嗣
  • Journal Title: 生物物理 Volume: 51 Pages: 66-71
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] EPR study of 1Asp-3Cys ligated 4Fe-4S iron-sulfur cluster in NB-protein (BchN-BchB) of a dark-operative protochlorophyllide reductase complex. (2011)
  • Author(s): Kondo, T., Nomata, J., Fujita, Y., Itoh, S.
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 585 Pages: 214-218
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chlorophyll biosynthesis : spotlight on protochlorophyllide reduction. (2010)
  • Author(s): Reinbothe, C., El Bakkouri, M., Buhr, F., Muraki, N., Nomata, J., Kurisu, G., Fujita, Y., Reinbothe, S.
  • Journal Title: Trends in Plant Science Volume: 15 Pages: 614-624
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 光合成微生物は資源・エネルギー分野で人類に貢献できるか?～生産性を規定する諸要因の分析～ (2010)
  • Author(s): 小俣達男、藤田祐一、前田真一
  • Journal Title: 光合成研究 Volume: 20 Pages: 65-71
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nitrate assimilatory genes and their transcriptional regulation in a unicellular redalga Cyanidioschyzon merolae : Genetic evidence for nitrite reduction by a sulfite reductase-like enzyme. (2010)
  • Author(s): Imamura, S., Terashita, M., Ohnuma, M., Maruyama, S., Minoda, A., Weber, A.P.M., Inouye, T., Sekine, Y., Fujita, Y., Omata, T., Tanaka, K.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 51 Pages: 707-717
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional differentiation of two analogous coproporphyrinogen III oxidases for heme and chlorophyll biosynthesis pathways in the cyanobacterium Synechocystis sp.PCC 6803. (2010)
  • Author(s): Goto, T., Aoki, R., Minamizaki, K., Fujita, Y.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 51 Pages: 650-663
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X-ray crystal structure of the light-independent protochlorophyllide reductase. (2010)
  • Author(s): Muraki, N., Nomata, J., Ebata, K., Mizoguchi, T., Shiba, T., Tamiaki, H., Kurisu, G., Fujita, Y.
  • Journal Title: Nature Volume: 465 Pages: 110-114
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 暗所作動型プロトクロロフィリド還元酵素:光合成細菌から裸子植物へ (2011)
  • Author(s): 藤田祐一
  • Organizer: 大阪大学蛋白質研究所セミナー:分子科学と生理学が解き明かす植物の光エネルギー変換の新展開
  • Place of Presentation: 大阪大学・蛋白質研究所
  • Year and Date: 20110309-20110310
• [Presentation] シアノバクテリア発現系を利用した真核光合成生物のニトロゲナーゼ類似酵素の生化学的解析 (2011)
  • Author(s): 山本治樹・久留宮祥平・大橋理恵・藤田祐一
  • Organizer: 大阪大学蛋白質研究所セミナー:分子科学と生理学が解き明かす植物の光エネルギー変換の新展開
  • Place of Presentation: 大阪大学・蛋白質研究所
  • Year and Date: 20110309-20110310
• [Presentation] プロトクロロフィリド還元酵素を利用した新規ニトロゲナーゼ創出を目指して (2011)
  • Author(s): 藤田祐一
  • Organizer: "2011世界化学年"記念 JSTさきがけ研究領域合同シンポジウム「人類の危機に挑む研究開発:光と太陽エネルギー」
  • Place of Presentation: (要旨集)
  • Year and Date: 2011-03-28
• [Presentation] 葉緑体にコードされる暗所作動型プロトクロロフィリド還元酵素のRNA editingによる活性制御 (2011)
  • Author(s): 山本治樹・楠見淳子・久留宮祥平・大橋理恵・藤田祐一
  • Organizer: 第52回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: (要旨集)
  • Year and Date: 2011-03-11
• [Presentation] ニトロゲナーゼ類似型プロトクロロフィリド還元酵素の反応機構の解析 (2011)
  • Author(s): 野亦次郎・近藤徹・溝口正・民秋均・伊藤繁・藤田祐一
  • Organizer: 第52回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: (要旨集)
  • Year and Date: 2011-03-11
• [Presentation] ラン藻を活用した光依存型プロトクロロフィリド還元酵素の機能解析 (2011)
  • Author(s): 辻本良真・本松里恵・藤田祐一
  • Organizer: 第52回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: (要旨集)
  • Year and Date: 2011-03-11
• [Presentation] ラン藻Synechocystis sp. PCC 6803のヘムオキシゲナーゼ欠損株の偽復帰変異の解析 (2011)
  • Author(s): 青木里奈・井原邦夫・藤田祐一
  • Organizer: 第52回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: (要旨集)
  • Year and Date: 2011-03-11
• [Presentation] 光依存型プロトクロロフィリド還元酵素を大量発現させたラン藻Leptolyngbya boryanaにおける異常な構造体形成 (2011)
  • Author(s): 山本治樹・小島寛子・大城香・藤田祐一
  • Organizer: 第52回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: (要旨集)
  • Year and Date: 2011-03-11
• [Presentation] ラン藻Synechocystis sp. PCC 6803における光依存型プロトクロロフィリド還元酵素欠損株の光感受性形質の相補 (2011)
  • Author(s): 平出優人・後藤武知・井原邦夫・藤田祐一
  • Organizer: 第52回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: (要旨集)
  • Year and Date: 2011-03-11
• [Presentation] Structure of dark-operative protochlorophyllide reductase : a greening mechanism with an architecture common to nitrogenase. (2010)
  • Author(s): Yuichi Fujita, Norifumi Muraki, Jiro Nomata, Genji Kurisu
  • Organizer: Nagoya University GCOE/Structural Biology Center International Symposium
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 20101123-20101124
• [Presentation] A common architecture between protochlorophyllide reductase and nitrogenase. (2010)
  • Author(s): Yuichi Fujita, Norifumi Muraki, Jiro Nomata, Genji Kurisu
  • Organizer: 1st Asian Symposium on Plant-Microbe Symbiosis and Nitrogen Fixation
  • Place of Presentation: 宮崎
  • Year and Date: 20100920-20100924
• [Presentation] Structure of the light-independent protochlorophyllide reductase reveals architecture common to nitrogenase. (2010)
  • Author(s): Yuichi Fujita, Norifumi Muraki, Jiro Nomata, Genji Kurisu
  • Organizer: 9th European Conference on Nitrogen Fixation
  • Place of Presentation: Geneva, Switzerland
  • Year and Date: 20100906-20100910
• [Presentation] Structural aspects of dark-operative protochlorophyllide reductase with nitrogenase-like features. (2010)
  • Author(s): Yuichi Fujita, Genji Kurisu, Norifumi Muraki, Jiro Nomata
  • Organizer: 6th International Conference on Porphyrins and Phthalocyanines
  • Place of Presentation: Santa Ana Pueblo, NM, USA
  • Year and Date: 20100704-20100709
• [Presentation] シアノバクテリアLeptolyngbya boryanaを用いた葉緑体にコードされるニトロゲナーゼ類似型プロトクロロフィリド還元酵素の活性評価 (2010)
  • Author(s): 山本治樹・楠見淳子・久留宮祥平・大橋理恵・藤田祐一
  • Organizer: 第1回日本光合成学会シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 20100604-20100605
• [Presentation] 複数の酵素系を活用した酸素環境に対する適応戦略 (2010)
  • Author(s): 藤田祐一
  • Organizer: ラン藻ゲノム研究交流会
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2010-07-24
• [Remarks]
  • URL: http://www.nu-research.com/research/6149.html