結晶構造解析による光化学系II複合体の分子機構の解明

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14340257
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 沈 建仁 岡山大学, 理学部, 教授 (60261161)
• 研究分担者: 池内 昌彦 東京大学, 大学院・総合文化研究科, 教授 (20159601)
• キーワード: 光合成 / 光化学系II / 結晶化 / 膜蛋白質 / 蛋白質複合体 / 結晶構造解析 / 放射光 / X線

研究概要

これまでに好熱性ラン藻Thermosynechococcus vulcanus由来のNative光化学系II複合体(PSII)を結晶化し、その結晶構造を3.7Å分解能で解析した。本年度では、PSII結晶の分解能を改善するため、標品の精製方法と各種結晶化条件を検討した。標品の精製においては主に最後のステップであるイオン交換カラムでの洗浄の条件、結晶化条件では主に界面活性剤・pH、温度、を検討した。その結果、3.5Å分解能を与える結晶を得ることに成功し、当該分解能での回折データを収集・分析し、これまで構築したPSIIの構造モデルを3.5Åに改善した。新しいモデルでは、反応中心の近くにあった2つのカロチノイド分子がいずれもトランス型であり、一つがシスで一つがトランス型というこれまでのモデルと異なっていた。反応中心にある2つのクロロフィルはこれまでより若干近くあり、その間に弱い相互作用があることが明らかになった。これは、従来提唱されてきた4量体モデルと異なり、PSIIの反応中心が弱い相互作用を持つクロロフィルの2量体であることを示唆する。また、酸素発生を触媒しているMnクラスターの構造やその配位子についてより詳細な情報を得た。
PSIIの構造をより高い分解能で解析するため、標品の精製条件と結晶化条件の検討を更に続けており、3.2-3.3Å分解能のX線回折スポットを与える結晶の析出を確認した。しかし、この結晶は今のところ不完全であり、より再現性よく完全な結晶の析出条件を確立する必要がある。
Native PSIIの構造解析と同時に、PSII各低分子量サブユニットの構造的役割を解明するため、それらの欠失変異株の大量培養・精製・結晶化を始めた。本年度では、psbM, psbX欠失変異株の大量培養・PSII標品の精製方法の確立を行った。

研究成果

• [文献書誌] Hayashi F., Suzuki H., Iwase R., Uzumaki T., Miyake A., Shen J.-R., Imada K., Furukawa Y., Yonekura K., Namba K., Ishiura M.: "ATP-induced hexameric ring structure of the cyanobacterial circadian clock protein KaiC"Genes to Cells. 8. 287-296 (2003)
• [文献書誌] Enami I., Iwai M., Akiyama A., Suzuki T., Okumura A., Katoh T., Tada O., Ohta H., Shen J.-R.: "Comparison of binding and functional properties of two extrinsic components, cytochrome c550 and a 12 kDa protein, in cyanobacterial PSII with those in red algal PSII"Plant and Cell Physiology. 44. 820-827 (2003)
• [文献書誌] Ohta H., Suzuki T., Ueno M., Okumura A., Yoshihara S., Shen J.-R., Enami I.: "Extrinsic proteins of photosystem II : An intermediate member of the PsbQ protein family in red algal PSII"European Journal of Biochemistry. 270. 4156-4163 (2003)
• [文献書誌] Tan C.-Y., Xu C.-He., Shen J.-R., Sakuma S., Yamamoto Y., Balny C., Ruan K.-C.: "Thermodynamic and kinetic analysis of unfolding of P23k protein isolated from spinach photosystem II(In Chinese with English Abstract)"Acta Biochimica et Biophysica Sinica. 35. 677-681 (2003)
• [文献書誌] Vasil'ev S., Shen J.-R., Kamiya N., Bruce D.: "The orientations of core antenna chlorophylls in photosystem II are optimized to maximize the quantum yield of photosynthesis"FEBS Letters. 561. 111-116 (2003)
• [文献書誌] Yamamoto Y., Sakuma S., Shera J.-R.: "Methods in Molecular Biology : Photosynthesis Protocols(ed. by R.Carpentier)"Humana Press(in press). (2004)