ゆがんだイス型の触媒の立体構造が紐解く光化学系IIの水分解反応

• 研究課題/領域番号: 20H03226
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43040:生物物理学関連
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 菅 倫寛 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (60634920)
• 研究分担者: 中島 芳樹 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任助教 (60847052)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2022年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2021年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2020年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
• キーワード: 光合成 / 膜タンパク質 / 光化学系II / 水分解反応 / X線自由電子レーザー

研究開始時の研究の概要

光合成では光化学系IIとよばれるタンパク質が光のエネルギーを利用して水分子から電子と水素イオンを取り出して酸素分子を発生する。この反応は光化学系IIの “ゆがんだイス”型のマンガンクラスター触媒が5つの周期的な段階をとることで進む。本研究ではS2状態とよばれる段階を構造解析し，光化学系IIの“ゆがんだイス”型のマンガンクラスター触媒が次の段階に遷移するときの構造変化から反応機構の詳細を明らかにする。

研究成果の概要

psbA遺伝子から発現するD1タンパク質の機能的な違いを明らかにするため、それぞれ1つのpsbA遺伝子（psbA2またはpsbA3）のみを発現する2株のPSII二量体を結晶化し、これまで研究されてきたPsbA1-PSIIと同等の分解能で構造解析した。その結果、PsbA2-およびPsbA3-PSIIでは、GlnからGluへの変化により、pheophytin/D1（PheoD1）とD1-130間の水素結合が強くなり、PsbA3で観測されたPheoD1の酸化還元電位の上昇を一部説明できることがわかった。この成果はJBC誌に論文発表した。
また、高スピン状態のS2状態のデータは現在解析を進めている。

研究成果の学術的意義や社会的意義

光化学系IIはタンパク質複合体であり、触媒部分のMn4CaO5 のクラスター（酸素発生中心）はD1タンパク質に保持されている。D1タンパク質はPsbA遺伝子によってコードされているが、通常の条件ではPsbA1遺伝子が発現する。一方、乾燥条件などの特殊な条件ではPsbA2遺伝子またはPsbA3遺伝子が発現する。PsbA2およびPsbA3を発現した光化学系IIを結晶構造解析することで、これらPsbAタンパク質の役割を明らかにすることを目指したものである。本研究で得られた立体構造は、3つのPsbAバリアントの機能的な検証のための構造的な基礎を提供するものと考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Crystal structures of photosystem II from a cyanobacterium expressing psbA in comparison to psbA reveal differences in the D1 subunit (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Yoshiki、Ugai-Amo Natsumi、Tone Naoki、Nakagawa Akiko、Iwai Masako、Ikeuchi Masahiko、Sugiura Miwa、Suga Michihiro、Shen Jian-Ren
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 298 号: 12 ページ: 102668-102668
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102668
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Geometric, electronic and spin structures of the CaMn4O5 catalyst for water oxidation in oxygen-evolving photosystem II. Interplay between experiments and theoretical computations (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Kizashi、Shoji Mitsuo、Isobe Hiroshi、Kawakami Takashi、Miyagawa Koichi、Suga Michihiro、Akita Fusamichi、Shen Jian-Ren
  • 雑誌名: Coordination Chemistry Reviews 巻: 471 ページ: 214742-214742
  • DOI: 10.1016/j.ccr.2022.214742
  • 査読あり
• [雑誌論文] Capturing structural changes of the S1 to S2 transition of photosystem II using time-resolved serial femtosecond crystallography (2021)
  • 著者名/発表者名: H Li, Y Nakajima, T Nomura, M Sugahara, S Yonekura, SK Chan, T Nakane, T Yamane, Y Umena, M Suzuki, T Masuda, T Motomura, H Naitow, Y Matsuura, T Kimura, K Tono, S Owada, Y Joti, R Tanaka, E Nango, F Akita, M Kubo, S Iwata, JR Shen and M Suga
  • 雑誌名: IUCrJ 巻: 8 号: 3 ページ: 431-443
  • DOI: 10.1107/s2052252521002177
  • NAID: 120007037379
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Structural dynamics and substrate binding to the oxygen-evolving complex studied by time-resolved X-ray crystallography of PSII (2022)
  • 著者名/発表者名: M Suga
  • 学会等名: 10th Asian Biological Inorganic Chemnistry Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] X線自由電子レーザーを用いた解析におる光化学系IIの基質水分子の取り込みと水分子の酸化に関する構造的知見 (2022)
  • 著者名/発表者名: 菅 倫寛, 中島芳樹, リホンジェ, 沈 建仁
  • 学会等名: 第60回 生物物理学会年会
• [学会発表] Studies on the molecular mechanism for water oxidation in photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: 菅 倫寛
  • 学会等名: The 22nd annual meeting of the photobiology association of Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Time-resolved structural studies on photosystem II provide insights into the mechanism of water oxidation and substrate delivery (2022)
  • 著者名/発表者名: M Suga
  • 学会等名: Satellite Meeting to 18th international congress on photosynthesis research 2022: Mechanism of water oxidation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] X-ray free electron lasers reveal the molecular mechanism for water oxidation in photosystem II. (2022)
  • 著者名/発表者名: M Suga
  • 学会等名: International congress on photosynthesis research 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Crystal structure analyses of photosystem II isolated from Thermosynechococcus elongatus mutants expressing only psbA2 or psbA3 genes as the D1 protein. (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Y., Ugai-Amo N., Tone N., Nakagawa A., Iwai M., Sugiura M., Ikeuchi M., Suga M. and Shen J. -R.
  • 学会等名: 18th International Congress on Photosynthesis Research, Dunedin, New Zealand.
  • 国際学会
• [学会発表] 光化学系IIのS状態遷移及び結晶品質における界面活性剤の影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中島芳樹、菅倫寛、沈建仁
  • 学会等名: 第63回植物生理学会年会
• [学会発表] Capturing structural changes of photosystem II using time-resolved serial femtosecond crystallography (2021)
  • 著者名/発表者名: Hongjie Li, Yoshiki Nakajima, Jian-Ren Shen and Michihiro Suga
  • 学会等名: PDB50 Anniversary Symposium in Asia
  • 国際学会
• [学会発表] X-ray free electron lasers reveal the molecular mechanism for water oxidation in photosystem II (2021)
  • 著者名/発表者名: Michi Suga, Yoshiki Nakajima, Hongjie Li, Jian-Ren Shen
  • 学会等名: 第59回日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [図書] Photosynthesis: Molecular Approaches to Solar Energy Conversion (2021)
  • 著者名/発表者名: Jian-Ren Shen, Yoshiki Nakajima, Fusamichi Akita & Michihiro Suga
  • 総ページ数: 622
  • 出版者: Springer Cham
  • ISBN: 9783030674069