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クロロフィルのMgを脱離する酵素SGRの触媒機構と生理的役割の解明

研究課題

研究課題/領域番号 18J20898
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 植物分子・生理科学
研究機関北海道大学

研究代表者

小畑 大地  北海道大学, 生命科学院, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2018-04-25 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
2020年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2019年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2018年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワードSTAY-GREEN / クロロフィル分解 / 触媒機構 / アミノ酸置換 / 酵素 / 代謝系 / 進化 / 結晶構造
研究実績の概要

本年度はクロロフィル分解系の最初の反応を触媒するクロロフィル:Mg脱離酵素SGRの触媒機構の解明に引き続き取り組んだ。SGRのMg脱離反応(有機分子から金属原子を脱離する反応)はほとんど報告がない珍しい反応であるため、その触媒機構を解明することはタンパク質科学・酵素科学的に重要な知見となる。
本研究では、アミノ酸置換体の作成により触媒機構の提案を目指した。クロロフィルからのMg脱離は酸性条件下で進行するため、SGRの触媒には酸性アミノ酸残基によるH+供与が関与すると仮説を立て、候補残基の置換体を作成した。しかし、SGRの発現量が少ないために、置換体の活性が得られず、機能の特定ができずにいた。この問題は大腸菌タンパク質発現系の改良により、従来の1000倍量のSGRを合成する系を開発したことで解決された。これにより、これまで活性を検出できなかった置換体についても置換の影響を評価できるようになった。その結果、SGRのMg脱離反応に関与する酸性アミノ酸残基を3つまで絞り込めた。
さらに、大量発現に加えてSGRの高純度な精製法を確立したことで、基質のクロロフィルとSGRの結合を分光学的に解析できるようになった。現在、3つの残基それぞれの置換が基質との結合にどのように影響を及ぼすか測定し、活性部位の同定と触媒を担う酸性アミノ酸残基の特定を行っている。
また、高純度かつ大量のSGRが調製可能になったため、SGRの持つSTAY-GREENドメインのX線結晶構造解析も視野に入ってきた。このドメインは既知のタンパク質構造のいずれとも似ていない新規の構造である。STAY-GREENドメインの構造決定はタンパク質科学として大きな意義があるとともに、そのドメインが触媒するMg脱離反応についてもより詳細なメカニズム解明の可能性を秘めている。今ではSGRの結晶が得られており、結晶の品質を改善中である。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (7件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Horizontal Transfer of Promiscuous Activity from Nonphotosynthetic Bacteria Contributed to Evolution of Chlorophyll Degradation Pathway2019

    • 著者名/発表者名
      Obata Daichi、Takabayashi Atsushi、Tanaka Ryouichi、Tanaka Ayumi、Ito Hisashi
    • 雑誌名

      Molecular Biology and Evolution

      巻: 36 号: 12 ページ: 2830-2841

    • DOI

      10.1093/molbev/msz193

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 高いpromiscuous活性を持つ酵素の水平移動がもたらす代謝系の進化 ~非光合成細菌から獲得されたクロロフィル分解酵素~2019

    • 著者名/発表者名
      小畑大地、高林厚史、田中亮一、田中歩、伊藤寿
    • 学会等名
      日本光合成学会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 非光合成細菌から獲得されたクロロフィル分解酵素2019

    • 著者名/発表者名
      小畑大地
    • 学会等名
      北海道植物学会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] クロロフィルaのMgを脱離する酵素STAY-GREEN(SGR)の触媒機構解析2018

    • 著者名/発表者名
      小畑大地, 田中歩, 伊藤寿
    • 学会等名
      日本光合成学会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Presence of highly-active promiscuous chlorophyll Mg-dechelatase homologs in non-photosynthetic Firmicutes implicates possible contribution of lateral gene transfer to the evolution of chlorophyll metabolism2018

    • 著者名/発表者名
      Daichi Obata, Ryouichi Tanaka, Ayumi Tanaka, Hisashi Ito
    • 学会等名
      INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON PHOTOSYNTHESIS AND CHLOROPLAST BIOGENESIS 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] 生物適応研究室 業績リスト

    • URL

      http://www.lowtem.hokudai.ac.jp/plantadapt/publications-j.html

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書 2019 実績報告書
  • [備考] 北海道大学 生命科学院 ニュース

    • URL

      https://www.lfsci.hokudai.ac.jp/info/3100.html

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2018-05-01   更新日: 2024-03-26  

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