光合成の迅速制御を可能にする新規レドックス制御経路

• 研究課題/領域番号: 22K19130
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分38:農芸化学およびその関連分野
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 吉田 啓亮 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (40632310)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2023年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
• キーワード: レドックス制御 / 光合成

研究開始時の研究の概要

酸化還元を基盤とした翻訳後修飾である“レドックス制御系”は、植物の光合成制御において重要な役割を果たしている。この制御系全体の包括的理解を目指した研究過程において、これまで知られていない還元力伝達経路が光合成の場である葉緑体に存在し、光合成反応を光照射に応答して迅速に制御している可能性を示唆する結果を得た。この発見を足掛かりとして、本研究では、未知の還元力伝達経路の実体を解明し、新規の光合成制御メカニズムを明らかにすることに挑戦する。

研究実績の概要

酸化還元を基盤としたタンパク質翻訳後修飾であるレドックス制御は、植物の光合成制御において必須の役割を果たしている。研究代表者は、この制御システム全体の分子機構と生理機能の包括的解明を目指して研究を行っている。その過程において、最近、これまで知られていなかった還元力伝達経路が葉緑体に存在し、光合成反応を光照射に応答して迅速に制御している可能性を示唆する結果を得た。そこで本研究課題では、未知の還元力伝達経路の実体を解明し、新規の光合成制御メカニズムを明らかにすることを目的とした。
これまで、研究代表者がプロテオミクス解析により見出した葉緑体チラコイド膜の新規レドックス分子候補に着目し、その機能解析を進めてきた。前年度までに、このレドックス分子候補がチラコイド膜のストロマ側に表在していることを明らかにしたものの、全長のリコンビナントタンパク質の発現・精製が律速となって試験管内での機能解析が思うように進んでいなかった。本年度は、N末端側のアミノ酸配列を改変することで大腸菌での発現向上に成功し、その後精製標品を得ることができた。このレドックス分子候補は酸化還元処理によってチオール基の状態を変化させていることを見出し、レドックス感受性を備えていることを明らかにした。また、ゲノム編集によって作成した該当分子のノックアウト株シロイヌナズナの表現型解析（生育解析・光合成解析）を行った。非ストレス条件では明確な表現型が認められなかったため、該当分子はストレス条件で機能している可能性がある。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

注目している新規レドックス分子候補に関して、前年度まで難航していた大腸菌でのタンパク質発現・精製をクリアし、その後の生化学解析に向けた土台構築を達成できた。生理学解析においては、シロイヌナズナを用いて該当分子の完全ノックアウト株を作出し、表現型解析を進めている。さらに、本研究を進める過程で、チラコイド膜のレドックス制御システムに関する新たな研究展開があった。以上より、本研究課題はおおむね順調に進展していると評価する。

今後の研究の推進方策

タンパク質レベルでの機能解析を進め、注目するレドックス分子候補が還元力伝達活性を持つのか、その場合どのような葉緑体酵素を標的とするのかなどの分子の特徴づけを行う。精製タンパク質を用いた試験管内での構成的手法によって解析を進める。また、植物内での役割を明らかにするために、ノックアウト株を用いた生理解析を引き続き行う。通常の条件では表現型の変化を観測できなかったので、今後は条件を変えつつ測定パラメータを拡張して解析を進める（酸化ストレス条件での詳細な光合成解析など）。

研究成果

• [雑誌論文] The phosphorylated pathway of serine biosynthesis affects sperm, embryo, and sporophyte development, and metabolism in Marchantia polymorpha (2024)
  • 著者名/発表者名: Wang M., Tabeta H., Ohtaka K., Kuwahara A., Nishihama R., Ishikawa T., Toyooka K., Sato M., Wakazaki M., Akashi H., Tsugawa H., Shoji T., Okazaki Y., Yoshida K., Sato R., Ferjani A., Kohchi T., Hirai M.Y.
  • 雑誌名: Commun. Biol. 巻: 7 号: 1 ページ: 102-102
  • DOI: 10.1038/s42003-023-05746-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Divergent protein redox dynamics and their relationship with electron transport efficiency during photosynthesis induction (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K., Hisabori T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: in press 号: 5 ページ: 737-747
  • DOI: 10.1093/pcp/pcae013
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Overexpression of thioredoxin-like protein ACHT2 leads to negative feedback control of photosynthesis in Arabidopsis thaliana (2024)
  • 著者名/発表者名: Fukushi Y., Yokochi Y., Hisabori T., Yoshida K.
  • 雑誌名: J. Plant Res. 巻: in press 号: 3 ページ: 445-453
  • DOI: 10.1007/s10265-024-01519-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Current insights into the redox regulation network in plant chloroplasts (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K., Hisabori T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 64 号: 7 ページ: 704-715
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad049
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cystathionine-β-synthase X proteins negatively regulate NADPH-thioredoxin reductase C activity (2023)
  • 著者名/発表者名: Tran C.M., Mihara S., Yoshida K.*, Hisabori T.*
  • 雑誌名: Biochem. Biophysic. Res. Commun. 巻: 653 ページ: 47-52
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2023.02.055
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chloroplast translation factor EF-Tu of Arabidopsis thaliana can be inactivated via oxidation of a specific cysteine residue (2023)
  • 著者名/発表者名: Toriu Machi、Horie Momoka、Kumaki Yuka、Yoneyama Taku、Kore-eda Shin、Mitsuyama Susumu、Yoshida Keisuke、Hisabori Toru、Nishiyama Yoshitaka
  • 雑誌名: Biochemical Journal 巻: 480 号: 5 ページ: 307-318
  • DOI: 10.1042/bcj20220609
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Two specific domains of the γ subunit of chloroplast F _o F ₁ provide redox regulation of the ATP synthesis through conformational changes (2023)
  • 著者名/発表者名: Akiyama Kentaro、Ozawa Shin-Ichiro、Takahashi Yuichiro、Yoshida Keisuke、Suzuki Toshiharu、Kondo Kumiko、Wakabayashi Ken-ichi、Hisabori Toru
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 120 号: 6
  • DOI: 10.1073/pnas.2218187120
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The ferredoxin/thioredoxin pathway constitutes an indispensable redox-signaling cascade for light-dependent reduction of chloroplast stromal proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K.*, Yokochi Y., Tanaka K., Hisabori T.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 298 号: 12 ページ: 102650-102650
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102650
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dissipation of the proton electrochemical gradient in chloroplasts promotes the oxidation of ATP synthase by thioredoxin-like proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Sekiguchi T., Yoshida K., Wakabayashi K-I., Hisabori T.*
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 298 号: 11 ページ: 102541-102541
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102541
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Verification of the Relationship between Redox Regulation of Thioredoxin Target Proteins and Their Proximity to Thylakoid Membranes (2022)
  • 著者名/発表者名: Fukushi Y, Yokochi Y, Wakabayashi KI, Yoshida K, Hisabori T.
  • 雑誌名: Antioxidants 巻: 11 号: 4 ページ: 773-773
  • DOI: 10.3390/antiox11040773
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Importance of the C-terminal Cys pair of Phosphoribulokinase in Phototrophs in Thioredoxin-Dependent Regulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Fukui K, Yoshida K, Yokochi Y, Sekiguchi T, Wakabayashi KI, Hisabori T, Mihara S.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: in press 号: 6 ページ: 855-868
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac050
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] クラミドモナスPGRL1 タンパク質におけるシステイン残基の機能解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 高橋拓子，井須敦子，吉田啓亮，若林憲一，久堀徹，西山佳孝
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ゼニゴケの発生におけるセリン生合成リン酸化経路の機能 (2024)
  • 著者名/発表者名: 平井優美，王梦瑶，多部田弘光，大高きぬ香，桑原亜由子，西浜竜一，石川寿樹，豊岡公徳，佐藤繭子，若崎眞由美，明石寛道，津川裕司，庄司翼，岡咲洋三，吉田啓亮，佐藤諒一，Ali Ferjani，河内孝之
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナpifi 変異体における光化学系II 最大量子収率の低下と葉緑体NDH 複合体活性の関わり (2024)
  • 著者名/発表者名: 村井美波，木村文香，今泉滉，吉田啓亮，車玉芬，石川規子，久堀徹，上妻馨梨，伊福健太郎
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 光合成誘導期におけるレドックス制御と電子伝達効率の関連性 (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉田啓亮，久堀徹
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Functional analysis of Trx-like protein CDSP32 in chloroplast redox regulation (2024)
  • 著者名/発表者名: Minh Chau Tran, Keisuke Yoshida
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナにおける色素体局在型Trx 様タンパク質の胚形成への関与 (2024)
  • 著者名/発表者名: 福士結香，横地佑一，久堀徹，吉田啓亮
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Uncovering redox regulation network in plant chloroplasts (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The role of PGRL1 in the photoprotection of photosystem I in the green alga Chlamydomonas reinhardtii (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahashi H., Takayama K., Isu A., Wakabayashi KI., Yoshida K. Hisabori T., Nishiyama Y.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Physiological impacts of Trx-like protein overexpression in Arabidopsis chloroplasts (2023)
  • 著者名/発表者名: Fukushi Y., Hisabori T., Yoshida K.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Cystathionine-beta-synthase X proteins negatively regulate NADPH-thioredoxin reductase C activity (2023)
  • 著者名/発表者名: Tran C.M., Mihara S., Yoshida K., Hisabori T.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 光合成のレドックス制御に関わるPost-Illumination Chlorophyll Fluorescence Increase (PIFI)タンパク質の分子機能解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 村井美波，吉田啓亮，車玉芬，石川規子，久堀徹，伊福健太郎
  • 学会等名: 第12回日本光合成学会年会およびシンポジウム
• [学会発表] Trx およびTrx 様タンパク質による葉緑体タンパク質の酸化制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 福士結香，横地佑一，若林憲一，吉田啓亮，久堀徹
  • 学会等名: 第12回日本光合成学会年会およびシンポジウム
• [学会発表] Functional interaction between Cystathionine-β-synthase X proteins and NADPH-thioredoxin reductase C in Arabidopsis thaliana (2022)
  • 著者名/発表者名: Minh Chau Tran, Shoko Mihara, Ken-ichi Wakabayashi, Keisuke Yoshida, Toru Hisabori
  • 学会等名: 第12回日本光合成学会年会およびシンポジウム
• [学会発表] Redox regulation system in chloroplasts; what we know about reduction and oxidation of target enzymes (2022)
  • 著者名/発表者名: Toru Hisabori, Yuichi Yokochi, Takatoshi Sekiguchi, Yuka Fukushi, Ken-Ichi Wakabayashi, Keisuke Yoshida
  • 学会等名: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Oxidative regulation of chloroplast ATP synthase by thioredoxin-like proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Sekiguchi Takatoshi, Keisuke Yoshida, Ken-Ichi Wakabayashi, Toru Hisabori
  • 学会等名: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
  • 国際学会
• [学会発表] シロイヌナズナにおける葉緑体内局在型Trx様タンパク質の非光化学的消光制御への関与 (2022)
  • 著者名/発表者名: 福士結香，横地佑一，若林憲一，吉田啓亮，久堀徹
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Biochemical Basis for Redox Regulation of Chloroplast-Localized Phosphofructokinase from Arabidopsis thaliana (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉田啓亮、久堀徹
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
  • 招待講演
• [備考] 東工大化生研 田中・吉田研究室
  • URL: http://www.res.titech.ac.jp/~biores/
• [備考] 東工大ニュース：光が当たると光合成酵素が活性化する分子メカニズム
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2022/065239