光合成明反応系を守るシアノバクテリア２成分制御系ネットワーク

• 研究領域: 新光合成：光エネルギー変換システムの再最適化
• 研究課題/領域番号: 19H04720
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 田中 寛 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (60222113)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2020年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: ストレス応答 / シアノバクテリア / ２成分制御系 / ヒスチジンキナーゼ / リン酸化 / 熱ショック応答 / 光合成明反応 / 光化学系 / 光合成 / タンパク質リン酸化

研究開始時の研究の概要

本研究では、2種の光化学系からなる明反応系の保護・維持に関する「遺伝子発現」を介した環境応答系に注目し、シアノバクテリアにおける明反応系の作動状況モニターの中核因子である2成分制御系、2種ヒスチジンキナーゼ(Hik2、NblS)の機能解析を行う。これらセンサーキナーゼは光環境の変化に鋭敏に応答し、明反応電子伝達の状態をモニターしてシステム維持に貢献していることが想定されているが、実際に何を認識しているのか、またどのように光化学系を調節しているかは不明のままである。葉緑体にまで保存されたこれら因子の機能を解明することで、遺伝子発現を介して光合成明反応系を環境変化から守る仕組みを理解する。

研究実績の概要

酸素発生型の光合成を行うシアノバクテリアにおいても、光や温度などへの環境応答には２成分制御系が重要であり、特にNblS、Hik2、Hik34の３種センサーキナーゼはシアノバクテリアや葉緑体に高度に保存され、光合成明反応系との関連が示唆されてきた。本研究ではS. elongatusを材料とし、Hik2およびHik34からシグナル下流Rre1へのシグナル伝達について解析を行なった。細胞を熱ショックに晒すと多くの熱ショックタンパク質の発現が誘導されるが、これは転写因子Rre1のリン酸化に依存して起こる。以前のin vitro解析から、このRre1リン酸化はHik2に依存すると考えられてきたが、Hik34を欠損させた株ではこの熱ショック時のRre1リン酸化が低下することから、Rre1依存の熱ショック応答はHik34に依存するものと考えていた。しかし、Hik34欠損株は増殖が悪く、そこから増殖の回復を指標に単離されたサプレッサー変異株では、熱ショック応答が完全に回復することを見出した。このため、熱ショックのセンシングはHik2に依存したものであると考えられる。最近、他グループの解析によりHik2には[3Fe-4S]クラスターが結合しており、プラストキノン（PQ）の酸化還元状態によりキナーゼ活性が調節されるモデルが提唱されている。実際、Rre1のリン酸化はDBMIBにより活性化されるがDCMUでは活性化されず、Hik2がPQの還元に応答してRre1をリン酸化するモデルが示唆された。熱ショック時のHik2活性化とPQ還元時のHik2活性化の関係性は現在検討中であるが、熱ショック時にPQが急速に還元される証拠は得られていない。現在、Hik2[3Fe-4S]の酸化還元状態がPQの状態に応じて変化し、還元されたHik2のみが熱ショックで活性化されるという２ステップモデルを考察している。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] The Circadian Rhythm Regulator RpaA Modulates Photosynthetic Electron Transport and Alters the Preferable Temperature Range for Growth in a Cyanobacterium (2021)
  • 著者名/発表者名: Hazuki Hasegawa, Tatsuhiro Tsurumaki, Sousuke Imamura, Kintake Sonoike and Kan Tanaka
  • 雑誌名: FEBS Letters 巻: published online 号: 10 ページ: 1480-1492
  • DOI: 10.1002/1873-3468.14075
  • 査読あり
• [雑誌論文] Establishment of a firefly luciferase reporter assay system in the unicellular red alga <i>Cyanidioschyzon merolae</i> (2021)
  • 著者名/発表者名: Baifeng Zhou, Sota Takahashi, Tokiaki Takemura, Kan Tanaka and Sousuke Imamura
  • 雑誌名: The Journal of General and Applied Microbiology 巻: 67 号: 1 ページ: 42-46
  • DOI: 10.2323/jgam.2020.02.003
  • NAID: 130008025418
  • ISSN: 0022-1260, 1349-8037
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Proteomic analysis of haem-binding protein from Arabidopsis thaliana and Cyanidioschyzon merolae (2020)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Shimizu, Rintaro Yasuda, Yui Mukai, Ryo Tanoue, Tomohiro Shimada, Sousuke Imamura, Kan Tanaka, Satoru Watanabe and Tatsuru Masuda
  • 雑誌名: Philosophical Transactions of the Royal Society B 巻: 375 号: 1801 ページ: 20190488-20190488
  • DOI: 10.1098/rstb.2019.0488
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ESCRT machinery mediates cytokinetic abscission in the unicellular red alga Cyanidioschyzon merolae. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yagisawa F., Fujiwara T., Takemura T., Kobayashi Y., Sumiya N., Miyagishima S. Y., Nakamura S., Imoto Y., Misumi O., Tanaka K., Kuroiwa H., Kuroiwa T.
  • 雑誌名: Frontiers in Cell and Developmental Biology 巻: 8 ページ: 169-169
  • DOI: 10.3389/fcell.2020.00169
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Measurement of the redox state of the plastoquinone pool in cyanobacteria (2020)
  • 著者名/発表者名: Sergey Khorobrykh, Tatsuhiro Tsurumaki, Kan Tanaka, Taina Tyystjarvi and Esa Tyystjarvi
  • 雑誌名: FEBS Lett. 巻: 594 号: 2 ページ: 367-375
  • DOI: 10.1002/1873-3468.13605
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Identification and analysis of a principal sigma factor interacting protein SinA, essential for growth at high temperatures in a cyanobacterium <i>Synechococcus elongatus</i> PCC 7942 (2020)
  • 著者名/発表者名: Hazuki Hasegawa, Tatsuhiro Tsurumaki, Ikki Kobayashi, Sousuke Imamura and Kan Tanaka
  • 雑誌名: The Journal of General and Applied Microbiology 巻: 66 号: 2 ページ: 66-72
  • DOI: 10.2323/jgam.2019.05.002
  • NAID: 130007855492
  • ISSN: 0022-1260, 1349-8037
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A suicide enzyme catalyzes multiple reactions for biotin biosynthesis in cyanobacteria (2020)
  • 著者名/発表者名: Kei Sakaki, Keita Ohishi, Tetsu Shimizu, Ikki Kobayashi, Naoki Mori, Kenichi Matsuda, Takeo Tomita, Hidenori Watanabe, Kan Tanaka, Tomohisa Kuzuyama and Makoto Nishiyama
  • 雑誌名: Nature Chem. Biol. 巻: 16 号: 4 ページ: 415-422
  • DOI: 10.1038/s41589-019-0461-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Top Starch Plating Method for the Efficient Cultivation of Unicellular Red Alga Cyanidioschyzon merolae (2019)
  • 著者名/発表者名: Takemura Tokiaki、Kobayashi Yuki、Imamura Sousuke、Tanaka Kan
  • 雑誌名: BIO-PROTOCOL 巻: 9 号: 4
  • DOI: 10.21769/bioprotoc.3172
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Overexpression of a glycogenin, CmGLG2, enhances floridean starch accumulation in the red alga Cyanidioschyzon merolae (2019)
  • 著者名/発表者名: Imran Pancha, Kan Tanaka and Sousuke Imamura
  • 雑誌名: Plant Signal. Behav. 巻: 14 号: 6 ページ: 1596718-1596718
  • DOI: 10.1080/15592324.2019.1596718
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiple modification of chromosomal loci using URA5.3 selection marker in the unicellular red alga Cyanidioschyzon merolae. (2019)
  • 著者名/発表者名: Tokiaki Takemura, Sousuke Imamura, Yuki Kobayashi and Kan Tanaka
  • 雑誌名: Bio-protocol 巻: 9 号: 7
  • DOI: 10.21769/bioprotoc.3204
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The retrograde signaling protein GUN1 regulates tetrapyrrole biosynthesis. (2019)
  • 著者名/発表者名: Shimizu, T., Kacprzak, S.M., Mochizuki, N., Nagatani, A., Watanabe, S., Shimada, T., Tanaka, K., Hayashi, Y., Arai, M., Leister, D., Okamoto, H., Terry, M.J., & Masuda, T.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 116 号: 49 ページ: 24900-24906
  • DOI: 10.1073/pnas.1911251116
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] シアノバクテリアにおいて時計制御因子RpaAが光合成電子伝達制御を介して増殖至適温度を制御する (2021)
  • 著者名/発表者名: 長谷川葉月、鶴巻達大、今村壮輔、園池公毅、田中寛
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シアノバクテリアと紅藻葉緑体に保存された二成分制御系による多様な光強度変化に際した転写制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 安田 暉、伊南 大地、今村 壮輔、田中 寛、華岡 光正
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シアノバクテリアヒスチジンキナーゼNblSは進化の過程で消失したPSII結合型センサーである (2021)
  • 著者名/発表者名: 鶴巻 達大、田中 寛
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 原始紅藻における光シグナル伝達に関わるE3ユビキチンリガーゼCul4複合体の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林 勇気、北川 美也子、吉川 瞳子、大原 ひかる、華岡 光正、今村 壮輔、田中 寛
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 単細胞紅藻シゾンにおける窒素欠乏応答転写因子 MYB1 の活性化調節機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhou Baifeng、島 弘季、五十嵐 和彦、田中 寛、今村 壮輔
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 単細胞紅藻 Cyanidioschyzon merolaeにおいて ACRドメインリピートタンパク質 CmACR は窒素同化を 担うGS/GOGAT サイクルを統合する (2020)
  • 著者名/発表者名: 竹村時空，今村壮輔，田中寛
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Characterization of Target of Rapamycin (TOR) Complex in the Unicellular Red Alga. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kaumeel Choksi, Kan Tanaka, Sousuke Imamura
  • 学会等名: The 61th JSPP annual meeting
• [学会発表] 単細胞紅藻シゾンにおけるスターチ蓄積を調節する新規機構の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: Imran Pancha，島弘季，東谷なほ子，五十嵐和彦，東谷篤志，田中寛，今村壮輔
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 単細胞紅藻シゾンにおける窒素欠乏応答転写因子 MYB1 の活性化調節機構 (2020)
  • 著者名/発表者名: 周柏峰，田中寛，今村壮輔
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] E3ユビキチンリガーゼ Cul4 複合体の関わる単細胞紅藻光シグナル伝達経路 (2020)
  • 著者名/発表者名: 北川美也子，小林勇気，吉川瞳子，大原ひかる，華岡光正，今村壮輔，田中寛
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Analysis of initiation of organelle DNA replication in red alga Cyanidioschyzon merolae (2020)
  • 著者名/発表者名: 小林勇気、佐藤 伸一、丹羽 達也、田口英樹、中村浩之、田中寛
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ルシフェラーゼ発光による枯草菌細胞内 NADPH レベルの非破壊的観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉田 健一 、石川 周 、田中 寛
  • 学会等名: 日本農芸化学会 2020年度大会
• [学会発表] 大腸菌代謝ステート遷移における酢酸の役割 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中澤 昂太 、太刀川 智之 、島田 友裕 、田中 寛
  • 学会等名: 日本農芸化学会 2020年度大会