光合成の光化学反応中心蛋白質複合体の解析

• 研究課題/領域番号: 63044148
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 岡崎国立共同研究機構
• 研究代表者: 村田 紀夫 岡崎国立共同研究機構, 基礎生物学研究所, 教授 (90011569)
• 研究分担者: ZIMMERMANN J サックレ原子核研究センター(フランス), 研究員 ; MATHIS P. フランス国立中央研究所, 光合成研究部門, 部長 ; WEISBEEK P.J ユトレヒト大学, 分子生物部門, 部長 ; 星名 哲 金沢大学, 理学部, 助手 (50019486) ; 三村 徹郎 東京大学, 理学部, 助手 (20174120) ; 藤田 善彦 岡崎国立共同研究機構, 基礎生物学研究所, 教授 (40013560) ; 福澤 秀哉 東京大学, 応用微生物研究所, 助手 (30183924) ; 高倍 昭洋 名城大学, 理工学部, 助教授 (80097766) ; 高橋 裕一郎 岡山大学, 理学部, 助手 (50183447) ; 佐藤 公行 岡山大学, 理学部, 教授 (10032822) ; 河盛 阿佐子 関西学院大学, 理学部, 教授 (40079661) ; 加藤 栄 東京大学, 理学部, 教授 (50011515) ; 上原 赫 大阪府立大学, 工学部, 講師 (60081329) ; 泉井 桂 京都大学, 理学部, 助教授 (20025414) ; 浅田 浩二 京都大学, 食糧科学研究所, 教授 (50027182) ; HOSHINO Satouru Faculty of Science, Kanazawa University ; POTRYKUS I. Institut fur Pflanzenwissenschaften, Suisse ; OLSON J. Instiute of Biochemistry, Odense University, Denmark
• 研究期間 (年度): 1988 – 1990
• 研究課題ステータス: 完了 (1990年度)
• 配分額: 21,000千円 (直接経費: 21,000千円); 1990年度: 7,000千円 (直接経費: 7,000千円); 1989年度: 7,000千円 (直接経費: 7,000千円); 1988年度: 7,000千円 (直接経費: 7,000千円)
• キーワード: 光合成 / 光化学反応中心複合体 / 光化学系I複合体 / 光化学系II複合体 / 光合成関連遺伝子 / 電子伝達反応 / 光合成細菌 / ホスホエノ-ルピルビン酸カルボキシラ-ゼ

研究概要

1.研究目的
光合成の諸課程の中で、光エネルギ-を化学的エネルギ-に変換する光化学反応の役割は特に重要である。近年日本人研究者を中心として、この反応を司る蛋白質複合体の種々の標品が次々に調製され、その生化学的性質が次第に解明されてきた。本研究の目的は、生化学的手法に加えて物理化学的ならびに分子生物学的手法を用いて、この光化学反応中心複合体の性質を明らかにすることである。共同研究においては、日本人研究者は主に光化学反応中心複合体の種々の標品を調整し、国外研究者は主に物理学的測定装置および分子生物的技術を提供する。
2.調査研究の成果
(1)光化学系II複合体の解析:(a)光化学反応中心II標品の光誘起で分離した正負の対電荷を安定化し、その寿命を1ミリ秒まで長くする方法を発見した。(b)好熱性藍色細菌より調製した光化学系II複合体のプラストキノン電子受容体を種々のキノン誘導体で置換し、それらの電子受容能を比較した。その結果、テトラハロ化ベンゼンは親和性と電子伝達能において特に優れた性質を有することがわかった。(c)光化学系II複合体の酸素発生能の失活に対して、グリシンベタインが強い保護効果を示すことを見つけた。(d)ホウレンソウより調製した光化学系II粒子を用いて、光化学系II複合体の水分解機構において中心的役割を果たすマンガン錯体中心をENDORと時間分解EPR法により研究した。(e)光合成電子伝達反応の阻害剤myxothiazolとstigmatellinが光化学系II複合体とチトクロムb/f複合体の2ヶ所を阻害することがわかった。
(2)光化学系I複合体の解析:(a)光化学系I複合体の電子受容側成分である鉄一硫黄センタ-のOAセンタ-とBセンタ-はともに主要電子伝達成分であることを証明した。(b)リポゾ-ムを用いた再構成実験によって、モノガラクト脂質が光補集性クロロフィル蛋白質Iから反応中心I複合体へのエネルギ-伝達を促進する性質を持っていることが示唆された。
(3)光合成細菌の光化学反応中心複合体の解析:(a)Rhodobacter sulfidophilusの光化学反応中心複合体は通常の光合成細菌のものと同様であったが、集光性色素蛋白質は塩条件、pH条件、界面活性剤の種類によってその吸収スペクトルを著しく変化させることがわかった。(b)緑色光合成細菌からバクテリオクロロフィルc(BChlc)を単離し、水飽和のCCl_4中で会合させて、その吸収スペクトルとCDスペクトルを解析した。(c)新しいタイプの光合成細菌ヘリオバクテリアの光化学反応中心に存在する微量色素成分を分析し、反応中心当り2分子のバクテリオクロロフィルg'と2分子のクロロフィルa類似色素が存在することを明らかにした。
(4)光合成関連遺伝子の研究:(a)プラスチドDNAのメチル化はプラスチド遺伝子の発現を制御していると推測されているが、このDNAをメチル化する酸素を発芽コムギより精製した。(b)葉緑体ゲノムにコ-ドされた光化学系II複合体の小型サブユニットの遺伝子を、Chlamydomonas葉緑体DNAからクロ-ニングした。(c)C_4光合成においてCO_2を最初に固定する酸素であるホスホエノ-ルピンビン酸カルボキシラ-ゼ(PEPcase)の組織特異的発現を研究するため、そのプロモ-タ-領域をマ-カ-遺伝子につないでタバコに導入し、transient expressionをおこさせる実験系を確立した。また、PEPcaseの2種のアイソザイムの発現に対する窒素源供給の影響を調べたところ、C_4型アイソザイムの転写がアンモニアの供給によって促進されるのに対して、C_3型アイソザイムの転写はアンモニアによって促進されないことがわかった。(d)プラストシアニン遺伝子を大腸菌で発現させることに成功し、プラストシアニン前駆体を大量に精製できるようになった。(e)光合成関連遺伝子のChlamydomonasへの導入には、Tiープラスミド法よりも物理的方法が有効であることがわかった。

研究成果

• [文献書誌] Kozi,Aasada: "Methyl viologenーdependent cyclic electron transport in spinach chlorop lasts in the absence of oxygen." Plant Cell Physiol.31. 557-564 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Satoh: "Kinetic evidence for the function of Z in isolated photosystem II reaction centers." FEBS Lett.251. 241-244 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Satoh: "Magnetic field effects on the primary reactions in photosystem II." Current Research in Photosynthesis. 1. 439-442 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Satoh: "Kinetic absorption spectroscopy provides evidence for the function of Z in(D1,D2)Photosystem II reaction centers." Current Research in Photosynthesis. 1. 475-478 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Satoh: "Charge recombination between stabilized Pー680^+ and reduced cytochrome bー559 in quinoneーreconsituted PS II reaction center." Biochim.Biophys.Acta. 1016. 121-126 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Kobayshi: "Transcriptional regulation and DNA methylation of nuclear genes for photosynthesis in nongreen plant cells." Proc.Natl.Acad.Sci.USA. 86. 7919-7923 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Kobayashi: "Transcriptional regulation and DNA methylation in plastids during transitional conversion of chloroplasts to chromoplasts" EMBO J.9. 307-313 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Sakurai: "Effects of selective destruction of ironーsulfur center B on electron tranfer and charge recombination in photosystem I" Photosynthesis Res.(1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Izui: "Multiple interactions between tissueーspecific nuclear proteins and the promoter of the phosphoenolpyruvate carboxylase gene for C4 photosynthesis in Zea mays." Mol.Gen.Genet.(1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Murata: "Glycinebetaine protects against the saltーinduced inactivation of the photosynthetic oxygen evolution" Biochim.Biophys.Acta. (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K, Aasada: "Methyl viologen-dependent. cyclic electron transport in spinach chlorop lasts in the absence of oxygen." Plant Cell Physiol.31. 1990 (557-)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K. Satoh: "Kinetic evidence for the function of Z in isolated photosystemII reaction centers." FEBS Lett.251. 1989 (241-)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K. Satoh: "Magnetic field effects on the primary reactions in photosystemII." Current Research in Photosynthesis. 1. 1990 (439-)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K. Satoh: "Charge recombination between stabilized P-680+ and reduced cytochrome b-559 in quinone-reconsituted PS II reaction center." Biochim. Biophys. Acta. 1016. 1990 (121-)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H. Kobayashi: "Transcriptional regulation and DNA methylation of nuclear genes for photosynthesis in nongreen plant cells." Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 86. 1989 (7919)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H. Kobayashi: "Transcriptional regulation and DNA methylation in plastids during transitional conversion of chloroplasts to chromoplasts" EMBO J.9. 1990 (307-)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H. Sakurai: "Effects of selective destruction of iron-sulfur center B on electron transfer and charge recombination in photosystem I" Photosynthesis Res.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K. Izui: "Multiple interactions between tissue-specific nuclear proteins and the promoter of the phosphoenolpyruvate carboxylase gene for C4 photosynthesis in Zea mays." Mol. Gen. Genet.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] N. Murata: "Glycinebetaine protects against the salt-induced inactivation of the photosynthetic oxygen evolution." Biochim. Biophys. Acta.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より