植物の青色光センサータンパク質における光シグナル伝達機構の解明

• Project/Area Number: 06J08383
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 岩田 達也 Nagoya Institute of Technology, 大学院・工学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2006 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000); Fiscal Year 2008: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2007: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2006: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: フォトトロピン / 赤外分光法 / LOVドメイン / FMN / 生物物理学 / フォトトロビン

Research Abstract

フォトトロピンは植物の青色光受容体である。発色団としてFMNを結合した光受容ドメインを2つ(LOV1、LOV2ドメイン)とセリン・スレオニンキナーゼドメインからなる。フォトトロピンは青色光依存的にキナーゼ活性を発現するが、キナーゼドメインの制御にはLOV2の光反応が重要であり、LOV1は直接関与していないことが報告されている。近年、LOV2ドメインのすぐC末端側にαヘリックス(Jαヘリックス)が存在し、このJαヘリックスの構造変化(光照射時にαヘリックス構造が緩む)ことがキナーゼ活性の発現に重要であることが報告された。
本研究において、LOVドメインとJαヘリックスの構造変化に着目し、Jαヘリックスを含むLOV2ドメイン(LOV2-Jα)とJαヘリックスを含まないLOV2ドメイン(LOV2 core)の構造変化を比較した。植物体でのリン酸化反応が報告されているシロイヌナズナのフォトトロピン1のLOV2ドメインを試料に、活性化状態と暗状態の低温フーリエ変換赤外(FTIR)分光法による測定を行った。その結果、Jαヘリックスは260K以上の温度で構造変化を起こすことが分かった。また、そのペプチド骨格のC=O伸縮振動は暗状態で1650cm^<-1>活性化状態では1625cm^<-1>に現れ、それぞれ文献的にはαヘリックス(1650cm^<-1>)、βシートかランダムコイル構造(1625cm^<-1>)に相当するものであった。この様に、Jαヘリックスは光照射後に、温度依存的にその構造を変化させることが示された。さらに、LOV core側の変異体(Q575L、F556L)ではこのαヘリックスに由来する構造変化を示さなくなり、Gln575、Phe556がJαヘリックスヘシグナルを伝達するアミノ酸残基であることが明らかとなった。

Research Products

• [Journal Article] Light Signal Transduction Pathway from the Flavin Chromophore to the Jα Helix of Arabidopsis Phototropinl (2009)
  • Author(s): Atsushi Yamamoto, Tatsuya Iwata, Yoshiaki Sato, Daisuke Matsuoka, Satoru Tokutomi, Hideki Kandori
  • Journal Title: Biophysical Journal 96 Pages: 2771-2778
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of FTIR Bands due to Internal Water Molecules around the Quinone Binding Sites in the Reaction Center from Rhodobacter sphaerroides (2009)
  • Author(s): Tatsuya Iwata, Mark L. Paddock, Melvin Y. Okamura, Hideki Kandori
  • Journal Title: Biochemistry 48 Pages: 1220-1229
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Role of Phe1010 in Light-Induced Structural Changes of the neol-LOV2 domain of Adiantum (2008)
  • Author(s): Atsushi Yamamoto, Tatsuya Iwata, Satoru Tokutomi, Hideki Kandori
  • Journal Title: Biochemistry 47 Pages: 922-928
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temperature Similarly Affect Light-lnduced Protein Structural Changes in the Chromophoric Domain of Phototropin (2007)
  • Author(s): Tatsuya Iwata, Atsushi Yamamoto, Satoru Tokutomi, Hideki Kandori
  • Journal Title: Biochemistry 46 Pages: 7016-7021
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Heterogeneous Environment of the S-H Group of Cys966 near the Flavin Chromophore in the LOV2 Domain of Adiantum Neochrome1 (2007)
  • Author(s): Yoshiaki Sato, Mika Nabeno, Tatsuya Iwata, Satoru Tokutomi, Minoru Sakurai, Hideki Kandori
  • Journal Title: Biochemistry 46 Pages: 10258-10265
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photochemistry in Phototropin, a Blue Light Sensor Protein in Plants (2006)
  • Author(s): Tatsuya Iwata, Hideki Kandori
  • Journal Title: Journal of the Chinese Chemical Society 53巻 Pages: 67-73
• [Journal Article] Photoreaction Cycle of the Light, Oxygen, and Voltage Domain in FKF1 Determined by Low-Temperature Absorption Spectroscopy (2006)
  • Author(s): Kazunori Zikihara, Tatsuya Iwata, Daisuke Matsuoka, Hideki Kandori, Takeshi Todo, Satoru Tokutomi
  • Journal Title: Biochemistry 45・36 Pages: 10828-10837
• [Journal Article] Identification of the C=0 Stretching Vibrations of FMN and Peptide Backbone by ^<13>C-Labeling of the LOV2 domain of Adiantum Phytochrome3 (2006)
  • Author(s): Tatsuya Iwata, Dai Nozaki, Yoshiaki Sato, Kyosuke Sato, Yasuzo Nishina, Kiyoshi Shiga, Satoru Tokutomi, Hideki Kandori
  • Journal Title: Biochemistry 45・51 Pages: 15384-15391
• [Presentation] Water Molecules Involved in the Proton Uptake in a Bacterial Photosynthetic Reaction Center from Rhodobacter spbaeroides (2009)
  • Author(s): Tatsuya Iwata, Mark L. Paddock, Melvin Y. Okamura, Hideki Kandori
  • Organizer: 6th Asian Biophysics Association Symposium
  • Place of Presentation: 香港、中国
• [Presentation] 紅色細菌の光化学反応中心のプロトン取り込みに関わる水分子の検出 (2008)
  • Author(s): 岩田達也, Mark L. Paddock, Melvin Y. Okamura, 神取秀樹
  • Organizer: 日本生物物理学会第46回年会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場
• [Presentation] 紅色光合成細菌の反応中心におけるキノン周囲の内部結合水 (2008)
  • Author(s): 岩田達也, 神取秀樹
  • Organizer: 特定領域研究「高次系分子科学」第3回合同班会議
  • Place of Presentation: 越後湯沢
• [Presentation] 紅色細菌の光化学反応中心のキノシ還元に伴う内部結合水の構造変化 (2007)
  • Author(s): 岩田 達也、Mark L. Paddock、Melvin Y. Okamura、神取 秀樹
  • Organizer: 第34回生体分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東北大学(仙台)
• [Presentation] Structural Changes of Water Molecules upon the Reduction of Quinones in the Reaction Center from Rhodobacter sphaeroides (2007)
  • Author(s): Tatsuva Iwata, Mark L. Paddock, Melvin Y. Okamura, Hideki Kandori
  • Organizer: 17th International Symposium on Fine Chemistry and Functional Polymers&IUPAC 3rd International Symposium on Novel Materials and Synthesis
  • Place of Presentation: 復旦大学(上海、中国)
• [Presentation] 紅色光合成細菌の反応中心のQ_B周囲の内部結合水 (2007)
  • Author(s): 岩田 達也、Mark L. Paddock、Melvin Y. Okamura、神取 秀樹
  • Organizer: 日本生物物理学会第45回年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(横浜)
• [Remarks] 名古屋工業大学大学院工学研究科 神取研究室 ウェブサイトホームページ
  • URL: http://www.ach.nitech.ac.jp/~physchem/kandori/index_j.html
• [Remarks] 名古屋工業大学大学院工学研究科神取研究室ウェブサイトホームページ
  • URL: http://www.ach.nitech.ac.jp/~physchem/kandori/index_j.html