クロロフィル代謝における酵素の誕生と進化

• 研究課題/領域番号: 19K06700
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分44030:植物分子および生理科学関連
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 田中 歩 北海道大学, 低温科学研究所, 名誉教授 (10197402)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 進化 / 代謝系 / クロロフィル

研究開始時の研究の概要

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。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（Promiscous activity)を併せ持っている。本研究の目的は、このPromiscous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。

研究成果の概要

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。本研究において、植物のクロロフィルを分解する酵素がクロロフィル分解とは関係のないバクテリアの遺伝子由来であることが明らかになった。この結果は、バクテリアの酵素が潜在的に持っていた活性が遺伝子の水平伝播により発揮され、新しい代謝経路の構築に利用されたことを示している。

研究成果の学術的意義や社会的意義

学術的な意義:本研究は、酵素が潜在的に持っている活性が、進化の過程で新しい代謝系の構築にどのように利用されてきたかを調べたものである。クロロフィル代謝系を研究対象とし、生化学的な手法によりその解明に取り組んだ。この研究は、酵素が潜在的に持つ多様な活性という分子的な実体に基づいて代謝系の進化の解明に取り組んだ点に意義がある。
社会的な意義: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。

研究成果

• [雑誌論文] Characterization of photosystem II assembly complexes containing ONE-HELIX PROTEIN1 in Arabidopsis thaliana (2022)
  • 著者名/発表者名: Maeda Hanaki、Takahashi Koharu、Ueno Yoshifumi、Sakata Kei、Yokoyama Akari、Yarimizu Kozue、Myouga Fumiyoshi、Shinozaki Kazuo、Ozawa Shin-Ichiro、Takahashi Yuichiro、Tanaka Ayumi、Ito Hisashi、Akimoto Seiji、Takabayashi Atsushi、Tanaka Ryouichi
  • 雑誌名: Journal of Plant Research 巻: 135 号: 2 ページ: 361-376
  • DOI: 10.1007/s10265-022-01376-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unique Peripheral Antennas in the Photosystems of the Streptophyte Alga Mesostigma viride (2021)
  • 著者名/発表者名: Aso Michiki、Matsumae Renon、Tanaka Ayumi、Tanaka Ryouichi、Takabayashi Atsushi
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 62 号: 3 ページ: 436-446
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa172
  • NAID: 120007182921
  • 査読あり
• [雑誌論文] How plants grow under gravity conditions besides 1 g: Perspectives from hypergravity and space experiments that employ bryophytes as a model organism (2021)
  • 著者名/発表者名: Kume, A., Kamachi, H., Onoda, Y., Hanba, T.Y., Hiwatashi, Y., Karahara, I., and Fujita T.
  • 雑誌名: Plant Molecular Biology 巻: - 号: 2 ページ: 348-355
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa165
  • 査読あり
• [雑誌論文] Insights into the structure and function of the rate-limiting enzyme of chlorophyll degradation through analysis of a bacterial Mg-dechelatase homolog (2021)
  • 著者名/発表者名: Dey Debayan、Dhar Dipanjana、Fortunato Helena、Obata Daichi、Tanaka Ayumi、Tanaka Ryouichi、Basu Soumalee、Ito Hisashi
  • 雑誌名: Computational and Structural Biotechnology Journal 巻: 19 ページ: 5333-5347
  • DOI: 10.1016/j.csbj.2021.09.023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enrichment of chlorophyll catabolic enzymes in grana margins and their cooperation in catabolic reactions (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukura Koki、Tanaka Ayumi、Tanaka Ryouichi、Ito Hisashi
  • 雑誌名: Journal of Plant Physiology 巻: 266 ページ: 153535-153535
  • DOI: 10.1016/j.jplph.2021.153535
  • 査読あり
• [雑誌論文] Degradation of the photosystem II core complex is independent of chlorophyll degradation mediated by Stay-Green Mg2+ dechelatase in Arabidopsis (2021)
  • 著者名/発表者名: Chen Ying、Yamori Wataru、Tanaka Ayumi、Tanaka Ryouichi、Ito Hisashi
  • 雑誌名: Plant Science 巻: - ページ: 110902-110902
  • DOI: 10.1016/j.plantsci.2021.110902
  • 査読あり
• [雑誌論文] Jasmonate production through chlorophyll a degradation by Stay-Green in Arabidopsis thaliana (2019)
  • 著者名/発表者名: Ono Kouhei、Kimura Madoka、Matsuura Hideyuki、Tanaka Ayumi、Ito Hisashi
  • 雑誌名: Journal of Plant Physiology 巻: 238 ページ: 53-62
  • DOI: 10.1016/j.jplph.2019.05.004
  • NAID: 120007099144
  • 査読あり
• [雑誌論文] Horizontal Transfer of Promiscuous Activity from Nonphotosynthetic Bacteria Contributed to Evolution of Chlorophyll Degradation Pathway (2019)
  • 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
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In Vitro Enzymatic Activity Assays Implicate the Existence of the Chlorophyll Cycle in Chlorophyll b-Containing Cyanobacteria (2019)
  • 著者名/発表者名: Lim HyunSeok、Tanaka Ayumi、Tanaka Ryouichi、Ito Hisashi
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 60 号: 12 ページ: 2672-2683
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz157
  • NAID: 120006876294
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation of a PSI-PSII megacomplex containing LHCSR and PsbS in the moss Physcomitrella patens (2019)
  • 著者名/発表者名: Furukawa, R., Aso M, Fujita, T., Akimoto, S., Tanaka, R., Tanaka, A., Yokono, M., and Takabayashi, A.
  • 雑誌名: Journal of Plant Research 巻: 132 号: 6 ページ: 867-880
  • DOI: 10.1007/s10265-019-01138-2
  • NAID: 120006941693
  • 査読あり
• [備考] 植物の老化や紅葉には，バクテリアの遺伝子が関わっていた
  • URL: https://www.hokudai.ac.jp/news/190906_pr2.pdf