補色順化におけるフィコビリソームの構造変化の多様性の解明

• 研究課題/領域番号: 19K06707
• 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: 豊橋技術科学大学
• 研究代表者: 広瀬 侑 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30616230)
• 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: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2019年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
• キーワード: シアノバクテリア / 光合成 / フィトクロム / シアノバクテリオクロム / フィコビリソーム / ビリン / 光受容体 / 補色順化 / 光食順化 / ゲノム

研究開始時の研究の概要

シアノバクテリアは酸素発生型の光合成を行う原核生物であり、光化学系反応中心に光エネルギーを供給するアンテナとしてフィコビリソームを持つ。本研究は、緑・赤色光によるフィコビリソームの構造制御（補色順化）の多様性を、単離フィコビリソームの分光および構造解析によって検証する。さらに、得られた結果に基づき、フィコビリソームの構造変化をゲノム情報から高精度に予測するパイプラインを構築する。

研究成果の概要

シアノバクテリアは光合成のアンテナタンパク質複合体としてフィコビリソームを持つ。本研究では、シアノバクテリア門における緑・赤色光に応答したフィコビリソームの構造制御（補色順化）の多様性の全体像の解析に取り組んだ。ゲノム情報に基いてフィコビリソーム遺伝子組成を分類する解析パイプラインを確立し、RefSeqデータベースの約500株の補色順化を分類した。それぞれの代表株を順化させてフィコビリソームを精製し、RNA-Seq、電子顕微鏡およびLC-MS/MS解析を行った。また、補色順化を制御するフィトクロム様光受容体（シアノバクテリオクロム）のX線結晶構造解析およびラマン分光解析にも取り組んだ。

研究成果の学術的意義や社会的意義

光色順化によって制御されるフィコビリソームの構造変化には、どれほどの多様性があるのだろうか？という問いに答えるため、多数の生物種の横断的な解析を得意とするゲノム科学と、少数の生物種の集中的な解析を得意とする生化学・生理学を統合したアプローチによって解析に取り組んだ。緑・赤色光に応答したフィコビリソームの構造変化は、シアノバクテリア門において８種類の多型が存在することを明らかにした。一部の光色順化についてはフィコビリソームの構造変化を実験的に示すことに成功した。補色順化を制御する光受容体の構造解析にも成功し、フィコビリソーム構造変化の引き金となる光色感知の分子機構について新たな知見を得た。

研究成果

• [雑誌論文] Metagenomics reveals global-scale contrasts in nitrogen cycling and cyanobacterial light-harvesting mechanisms in glacier cryoconite (2022)
  • 著者名/発表者名: Takumi Murakami, Nozomu Takeuchi, Hiroshi Mori, Yuu Hirose, Arwyn Edwards, Tristram Irvine-Fynn, Zhongqin Li, Satoshi Ishii, Takahiro Segawa
  • 雑誌名: Microbiome 巻: 10 号: 1 ページ: 50-50
  • DOI: 10.1186/s40168-022-01238-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Raman Spectroscopy of an Atypical C15-E,syn Bilin Chromophore in Cyanobacteriochrome RcaE (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuji Okuda, Risako Miyoshi, Takanari Kamo, Tomotsumi Fujisawa, Takayuki Nagae, Masaki Mishima, Toshihiko Eki, Yuu Hirose, Masashi Unno
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 126 号: 4 ページ: 813-821
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c09652
  • 査読あり
• [雑誌論文] Complete Genome Sequence of a Thin-Sheath Mutant of the Phototropic Cyanobacterium Calothrix sp. Strain PCC 7716 (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuu Hirose, Mitsunori Katayama
  • 雑誌名: Microbiol. Resour. Announc. 巻: 10 号: 48
  • DOI: 10.1128/mra.00947-21
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genome sequencing of the NIES Cyanobacteria collection with a focus on the heterocyst-forming clade. (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuu Hirose, Yoshiyuki Ohtsubo, Naomi Misawa, Chinatsu Yonekawa, Nobuyoshi Nagao, Yohei Shimura, Takatomo Fujisawa, Yu Kanesaki, Hiroshi Katoh, Mitsunori Katayama, Haruyo Yamaguchi, Hirofumi Yoshikawa, Masahiko Ikeuchi, Toshihiko Eki, Yasukazu Nakamura, Masanobu Kawachi
  • 雑誌名: DNA research 巻: 28 号: 6
  • DOI: 10.1093/dnares/dsab024
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 天然の青色発色団フィコシアノビリンの抽出と応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 広瀬 侑
  • 雑誌名: アグリバイオ 巻: 5 ページ: 849-853
  • NAID: 40022700383
• [雑誌論文] Draft Genome Sequence of the Phototropic Cyanobacterium Rivularia sp. Strain IAM M-261 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuu Hirose, Mitsunori Katayama
  • 雑誌名: Microbiol. Resour. Announc. 巻: 10 号: 39
  • DOI: 10.1128/mra.00790-21
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural basis of the protochromic green/red photocycle of the chromatic acclimation sensor RcaE (2021)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Nagae, Masashi Unno, Taiki Koizumi, Yohei Miyanoiri, Tomotsumi Fujisawa, Kento Masui, Takanari Kamo, Kei Wada, Toshihiko Eki, Yutaka Ito, Yuu Hirose, Masaki Mishima
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118(20) 号: 20
  • DOI: 10.1073/pnas.2024583118
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pressurized liquid extraction of a phycocyanobilin chromophore and its reconstitution with a cyanobacteriochrome photosensor for efficient isotopic labeling (2021)
  • 著者名/発表者名: Takanari Kamo, Toshihiko Eki, Yuu Hirose
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 62(2) 号: 2 ページ: 334-347
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa164
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spectroscopic approach for exploring structure and function of photoreceptor proteins (2021)
  • 著者名/発表者名: Masashi Unno, Yuu Hirose, Masaki Mishima, Takashi Kikukawa, Tomotsumi Fujisawa, Tatsuya Iwata, Jun Tamogami
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 18 号: 0 ページ: 127-130
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v18.014
  • NAID: 130008054065
  • ISSN: 2189-4779
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] シアノバクテリアの光色順化と多様性と進化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 広瀬侑
  • 雑誌名: 光合成研究 巻: 29(2) ページ: 156-170
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Diverse Chromatic Acclimation Processes Regulating Phycoerythrocyanin and Rod-Shaped Phycobilisome in Cyanobacteria (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirose Yuu、Chihong Song、Watanabe Mai、Yonekawa Chinatsu、Murata Kazuyoshi、Ikeuchi Masahiko、Eki Toshihiko
  • 雑誌名: Molecular Plant 巻: 12 号: 5 ページ: 715-725
  • DOI: 10.1016/j.molp.2019.02.010
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 2 つの光受容体によって制御される Pleurocapsa sp. PCC 7319の補色順化の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大津 卓人, 浴 俊彦, 広瀬 侑
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 補色順化を制御する緑/赤色光受容体RcaEの光変換機構の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 加茂 尊也, 浴 俊彦, 広瀬 侑
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シアノバクテリアのフィトクロム様光受容体の光色感知機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 広瀬 侑
  • 学会等名: 令和３年度 日本生物物理学会中部支部 講演会
• [学会発表] シアノバクテリアが光の色を感知する仕組みの研究： どのように？ → なぜ？ (2022)
  • 著者名/発表者名: 広瀬 侑
  • 学会等名: 雪氷生物研究会2022
• [学会発表] NIESコレクションのシアノバクテリアのゲノム解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 広瀬侑, 大坪嘉行, 三澤直美, 米川千夏, 長尾信義, 志村遥平, 藤澤貴智, 兼崎友, 加藤浩, 片山光徳, 山口晴代, 吉川博文, 池内昌彦, 浴俊彦, 中村保一, 河地正伸
  • 学会等名: 第16回日本ゲノム微生物学会年会
• [学会発表] 部位特異的変異導入によるビリン結合光センサーRcaEの光変換機構の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 広瀬 侑, 加茂 尊也, 浴 俊彦
  • 学会等名: 第59回日本生物物理学会年会
• [学会発表] シアノバクテリアの光色順化における光受容の構造基盤 (2021)
  • 著者名/発表者名: 永江 峰幸, 海野 雅司, 小泉 太貴, 宮ノ入 洋平, 藤澤 知績, 増井 健人, 加茂 尊也, 和田 啓, 浴 俊彦, 伊藤 隆, 三島 正規, 広瀬 侑
  • 学会等名: 第85回日本植物学会年会
• [学会発表] 構造・計算・分光によって理解する 補色順化の光色感知機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 広瀬 侑
  • 学会等名: 第16回日本光合成学会年会
• [学会発表] モジュールクローニング法を用いた大腸菌におけるフィコシアノビリン合成系の改良 (2021)
  • 著者名/発表者名: 増井 健人, 浴 俊彦, 広瀬 侑
  • 学会等名: 第６２回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 補色順化を制御するシアノバクテリオクロム光受容体RcaEの赤色光吸収型の構造解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 永江 峰幸, 海野 雅司, 小泉 太貴, 宮ノ入 洋平, 藤澤 知績, 増井 健人, 加茂 尊也, 和田 啓, 浴 俊彦, 伊藤 隆, 三島 正規, 広瀬 侑
  • 学会等名: 第６２回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 公開 同位体標識フィコシアノビリン発色団の高温高圧抽出とシアノバクテリオクロム型光受容体とのin vitro再構成系の構築 (2021)
  • 著者名/発表者名: 加茂 尊也, 浴 俊彦, 広瀬 侑
  • 学会等名: 第６２回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ビリン結合光受容体の多様な吸収波長の分子基盤 (2020)
  • 著者名/発表者名: 広瀬 侑
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会年会
• [学会発表] シアノバクテリアの補色順化の多様性の解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 広瀬侑、Chihong Song、米川千夏、渡辺麻衣、村田和義 、池内昌彦、浴俊彦
  • 学会等名: 第10回日本光合成学会年会
• [学会発表] シアノバクテリアの補色順化の多様性の解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 広瀬侑
  • 学会等名: 藍藻の分子生物学2019
  • 招待講演
• [学会発表] Diverse chromatic acclimation processes responding to green and red light in cyanobacteria (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuu Hirose, Song Chihong, Mai Watanabe, Chinatsu Yonekawa, Kazuyoshi Murata, Masahiko Ikeuchi, Toshihiko Eki
  • 学会等名: International Conference on Tetrapyrrole Photoreceptors of Photosynthetic Organisms (ICTPPO) 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Diverse chromatic acclimation processes responding to green and red light in cyanobacteria (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuu Hirose, Song Chihong, Mai Watanabe, Chinatsu Yonekawa, Kazuyoshi Murata, Masahiko Ikeuchi, Toshihiko Eki
  • 学会等名: World Congress on Light and Life: Joint 17th International Congress on Photobiology & 18th Congress of the European Society for Photobiology
  • 国際学会 / 招待講演