光化学系II膜蛋白質のpHトラップによるS2反応中間体の結晶構造解析

• 研究課題/領域番号: 15H05588
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 構造生物化学
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 梅名 泰史 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特別契約職員(准教授) (10468267)
• 連携研究者: 古谷 祐詞 分子科学研究所, 生体分子情報研究部門, 准教授 (80432285)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 23,530千円 (直接経費: 18,100千円、間接経費: 5,430千円); 2017年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2016年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2015年度: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
• キーワード: 結晶構造解析 / 光合成 / 光化学系II蛋白質 / pH / 反応中間状態 / 光合成蛋白質 / 反応中間構造 / 生物物理 / 蛋白質 / X線結晶構造解析 / 構造生物 / 膜蛋白質結晶化 / 混合緩衝液 / Ｘ線結晶構造解析 / 構造生物化学 / らん藻培養 / 膜蛋白質精製 / 緩衝液

研究成果の概要

光合成の水分解・酸素発生を担う光化学系II膜蛋白質(PSII)のpH4とpH9の結晶構造解析に混合緩衝液を使うことで2.0Å分解能で成功した。酸性と塩基性条件では、それぞれ異なる部位のプロトン輸送に関係する構造が変化しており、pHにより活性が低下する構造上の要因が明らかになった。一方、反応中間S2状態のPSIIの結晶構造解析はこのpH条件では困難なため、結晶の凍結温度を変える方法を試みた。PSII結晶をフィルム状になる粘性液体で保護することで、100Kから200Kに温度を上げても結晶性は劣化せず、また結晶に光を照射するとＸ線吸収分光分析から、励起状態を保ったPSII結晶であることが確認された。

研究成果

• [雑誌論文] Fourier Transform Infrared Analysis of the S-State Cycle of Water Oxidation in the Microcrystals of Photosystem II (2018)
  • 著者名/発表者名: Kato Yuki、Akita Fusamichi、Nakajima Yoshiki、Suga Michihiro、Umena Yasufumi、Shen Jian-Ren、Noguchi Takumi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 9 号: 9 ページ: 2121-2126
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b00638
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Understanding Two Different Structures in the Dark Stable State of the Oxygen-Evolving Complex of Photosystem?II: Applicability of the Jahn-Teller Deformation Formula (2017)
  • 著者名/発表者名: Shoji Mitsuo、Isobe Hiroshi、Tanaka Ayako、Fukushima Yoshimasa、Kawakami Keisuke、Umena Yasufumi、Kamiya Nobuo、Nakajima Takahito、Yamaguchi Kizashi
  • 雑誌名: ChemPhotoChem 巻: 2 号: 3 ページ: 257-270
  • DOI: 10.1002/cptc.201700162
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mutual relationships between structural and functional changes in a PsbM-deletion mutant of photosystem II (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Uto, K. Kawakami, Y. Umena, M. Iwai, M. Ikeuchi, J.-R. Shenf and N. Kamiya
  • 雑誌名: Faraday Discussions 巻: 印刷中 ページ: 107-120
  • DOI: 10.1039/c6fd00213g
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Light-induced structural changes and the site of O=O bond formation in PSII caught by XFEL. (2017)
  • 著者名/発表者名: Suga, M.†, Akita, F.†, Sugahara, M.†, Kubo, M.†, Nakajima, Y.† et al. (†equal contribution)(38人中1番目)
  • 雑誌名: Nature 巻: 543 号: 7643 ページ: 131-135
  • DOI: 10.1038/nature21400
  • NAID: 120006344935
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dynamics of Excitation Energy Transfer Between the Subunits of Photosystem II Dimer. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Yoneda, Tetsuro Katayama, Yutaka Nagasawa, Hiroshi Miyasaka and Yasufumi Umena
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 138 号: 36 ページ: 11599-11605
  • DOI: 10.1021/jacs.6b04316
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Novel features of eukaryotic photosystem II revealed by its crystal structure analysis from a red alga (2016)
  • 著者名/発表者名: Hideo Ago, Hideyuki Adachi, Yasufumi Umena, Takayoshi Tashiro, Keisuke Kawakami, Nobuo Kamiya, Lirong Tian, Guangye Han, Tingyun Kuang, Zheyi Liu, Fangjun Wang, Hanfa Zou, Isao Enami, Masashi Miyano, Jian-Ren Shen
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 291 号: 11 ページ: 5676-5687
  • DOI: 10.1074/jbc.m115.711689
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Large-scale QM/MM calc8lations of hydrogen onding networks for proton transfer and water inlet channels for water oxidation-Theoretical system models of the oxygen-evolving comlex of photosystem II- (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Shoji, H. Isobe, S. Yamanaka, Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya, J.-R. Shen, T. Nakajima, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Adv. Quantum Chem. 巻: 70 ページ: 325-413
  • DOI: 10.1016/bs.aiq.2014.10.001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical modeling of biomolecular system I. Large-scale QM/MM calculations of hydrogen-bonding networks of the oxygen evolving complex of photosystem II (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Shoji, H. Isobe, S. Yamanaka, Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya, J.-R. Shen, T. Nakajima, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Molecular Physics 巻: 113 号: 3-4 ページ: 359-384
  • DOI: 10.1080/00268976.2014.960021
  • 査読あり
• [学会発表] Proton transfer inhibition by molecular anion substitutions in Photosystem II (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasufumi Umena, Shouya Tamaru, Jian-Ren Shen
  • 学会等名: 24th Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography (IUCr2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 塩素イオンを分子陰イオンへ置換した PSIIの結晶構造解析による阻害機構の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 梅名泰史，田丸翔也，沈建仁
  • 学会等名: 第8回日本光合成学会年会
• [学会発表] 光化学系IIと阻害剤アジ化物イオンとの共結晶化とX線結晶構造解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田丸 翔也, 梅名 泰史, 沈 建仁
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: つくば、茨城（ポスター）
  • 年月日: 2016-11-25
• [学会発表] 活性阻害剤アジ化物イオンが結合した光化学系 II 蛋白質の X 線結晶構造解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 梅名泰史・田丸翔也・沈建仁
  • 学会等名: 日本結晶学会平成28年度年会
  • 発表場所: 水戸、茨城（ポスター）
  • 年月日: 2016-11-17
• [学会発表] 光化学系IIタンパク質における混合原子価Mn4CaO5クラスターの結晶構造解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 梅名泰史, 川上恵典, 神谷信夫, 沈建仁
  • 学会等名: 第55回電子スピンサイエンス学会年会
  • 発表場所: 大阪市立大学、大阪
  • 年月日: 2016-11-10
  • 招待講演
• [学会発表] Crystallographic studies of the valence of four Mn atoms in photosystem II using anomalous diffraction technique (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya, J.-R. Shen
  • 学会等名: The 42nd Naito Conference
  • 発表場所: 札幌、北海道（ポスター）
  • 年月日: 2016-10-04
• [学会発表] Estimation of valences and radiation damage of four Mn atoms in photosystem II crystals using anomalous diffraction analysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya, J.-R. Shen
  • 学会等名: The 12th International Conference on Biology and Synchrotron Radiation (BSR 2016)
  • 発表場所: Menlo Park, CA, USA
  • 年月日: 2016-08-21
  • 国際学会
• [学会発表] Crystal structure of the oxygen evolving photosystem II in the intermediate state revealed by femtosecond X-ray free electron lasers (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Suga, F. Akita, M. Kubo, Y. Nakajima, K. Yamashita, T. Nakane, M. Nakabayashi, Y. Umena, M. Suzuki, E. Nango, R. Tanaka, S. Inoue, T. Masuda, K. Tono, T. Kimura, Y. Joti, M. Yamamoto, O. Nureki, M. Yabashi, T. Ishikawa, S.o Iwata, M. Sugawara, J.-R Shen
  • 学会等名: The 17th International Congress on Photosynthesis Research
  • 発表場所: Maastricht, Netherland
  • 年月日: 2016-08-07
  • 国際学会
• [学会発表] Valences and radiation damage of four Mn atoms in photosystem II crystals revealed by anomalous diffraction analysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya, J.-R. Shen,
  • 学会等名: The 17th International Congress on Photosynthesis Research
  • 発表場所: Maastricht, Netherland（ポスター）
  • 年月日: 2016-08-07
  • 国際学会
• [学会発表] Crystal structure analysis of photosystem II complex from an SQDG-deficient mutant of Thermosynechococcus elongatu (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakajma, Y. Umena, K. Endo, H. Wada, J.-R. Shen
  • 学会等名: The 17th International Congress on Photosynthesis Research
  • 発表場所: Maastricht, Netherland（ポスター）
  • 年月日: 2016-08-07
  • 国際学会
• [学会発表] X-ray crystallographic studies of active sites in oxygen-evolving photosystem II (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Umena
  • 学会等名: 13th International Workshop on Supermolecular Nanoscience of Chemically Programmed Pigment (SNCPP13)
  • 発表場所: Ritsumeikan University, Shiga, Japan
  • 年月日: 2016-06-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] スルフォキノボシルジアシルグリセロール欠損T.elongatus変異体由来PSⅡ複合体ダイマーの結晶構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中島芳樹、梅名泰史、遠藤嘉一郎、和田元、沈建仁
  • 学会等名: 第７回日本光合成学会年会
  • 発表場所: 東京理科大学、日本（ポスター）
  • 年月日: 2016-05-27
• [学会発表] 光化学系IIの４つのMnの価数とＸ線による還元作用の検証 (2016)
  • 著者名/発表者名: 梅名泰史、川上恵典、神谷信夫、沈建仁
  • 学会等名: 第７回日本光合成学会年会
  • 発表場所: 東京理科大学、日本（ポスター）
  • 年月日: 2016-05-27
• [学会発表] X-ray crystal structure and functional alteration of PsbZ-deleted photosystem II (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuri Kitashita, Kouhei Ueda, Keisuke Kawakami, Tomoyasu Noji, Yasufumi Umena, Masako Iwai, Masahiko Ikeuchi, Jian-Ren Shen, Nobuo Kamiya
  • 学会等名: 第57回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 岩手、日本（ポスター）
  • 年月日: 2016-03-18
• [学会発表] Crystallographic study for estimation of the valence of four Mn atoms in oxygen-evolving Photosystem II using anomalous absorption techniques (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya (Invited)
  • 学会等名: 7th OCARINA Annual International Meeting
  • 発表場所: Osaka City University, Osaka, Japan
  • 年月日: 2016-03-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Estimation of the valences and radiation damage of four Mn atoms in photosystem II crystals using anomalous diffraction techniques (2016)
  • 著者名/発表者名: Yasufumi Umena, Keisuke Kawakami, Jian-Ren Shen, Nobuo Kamiya
  • 学会等名: 9th International Workshop on X-ray Radiation Damage to Biological Crystalline Samples
  • 発表場所: Lund, Sweden
  • 年月日: 2016-03-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ヨウ素イオンによるシアノバクテリア由来光化学系IIの酸素発生阻害機構 (2015)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典，萩原大介, 梅名泰史, 福島佳優, 伊藤亮孝, 手木芳男, 沈建仁, 神谷信夫
  • 学会等名: 日本結晶学会2015年度年会
  • 発表場所: 大阪、日本（口頭発表）
  • 年月日: 2015-10-17
  • 招待講演
• [学会発表] 光化学系II のMn4CaO5クラスターにおけるX線還元と吸収端波長X線結晶構造解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 梅名泰史, 川上恵典, 沈建仁 ,神谷信夫
  • 学会等名: 日本結晶学会2015年度年会
  • 発表場所: 大阪、日本（口頭発表）
  • 年月日: 2015-10-17
  • 招待講演
• [学会発表] Proton transfer mechanisms of photosystem II: Hybrid ab inito quantum mechanics study (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Nakamura, J. Kang, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya, M. Tateno
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢、日本、（ポスター）
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] Proton transfer mechanisms of photosystem II: Hybrid ab inito quantum mechanics study (2015)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Nakamura, Jiyong Kang, Yasufumi Umena, Keisuke Kawakami, Shen Jian-Ren, Nobuo Kamiya, and Masaru Tateno
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢、日本
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] Crystallographic study for estimation of the valence of four Mn atoms in oxygen-evolving Photosystem II using anomalous absorption techniques (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya
  • 学会等名: The 65th Annual Meeting of the American Crystallographic Association
  • 発表場所: Philadelphia, USA（口頭発表）
  • 年月日: 2015-07-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Crystal mounting method using humid air and hydrophilic glue coating for ambient and cryogenic experiments (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Kumasaka, S. Baba, N. Yagi, Y. Umena, N. Kamiya, F. Shima, T. Kataoka, M. Yamamoto
  • 学会等名: The 65th Annual Meeting of the American Crystallographic Association
  • 発表場所: Philadelphia, USA（口頭発表）
  • 年月日: 2015-07-25
  • 招待講演
• [学会発表] Crystallographic study for estimation of the valence of four Mn atoms in Photosystem II using anomalous absorption techniques (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya
  • 学会等名: Symposium "Metals in Biology"
  • 発表場所: 和光理研、埼玉、日本、（ポスター）
  • 年月日: 2015-06-16
  • 国際学会
• [学会発表] 光化学系IIの酸素発生中心Mn4CaO5クラスターの吸収端波長Ｘ線結晶構造解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 梅名泰史, 川上恵典, 沈建仁, 神谷信夫
  • 学会等名: 第6回日本光合成学会年会
  • 発表場所: 岡山、日本（ポスター）
  • 年月日: 2015-05-22