水素結合ネットワーク構造に基づく蛋白質内プロトン移動の予測

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01186
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 斉藤 圭亮 東京大学, 先端科学技術研究センター, 准教授 (20514516)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 水素結合 / プロトン移動 / 光合成 / QM/MM法 / 分子動力学法 / 電子移動 / ダイナミクス

研究実績の概要

植物や藻類の光合成において水を分解し酸素を発生する反応を触媒する蛋白質である光化学系II，様々な機能を持つ光受容蛋白質群であるロドプシンなどのプロトン移動に着目し，水素結合ネットワークとの関連を調べた．以下はその成果の一部である．これらの成果はすべて査読付き国際誌に論文として発表済みである．
■1) 光化学系IIの触媒部位Mn4CaO5錯体からの電子移動と共役したプロトン移動機構を明らかにした．■2) 光化学系II反応中心における電子の終着点であるキノンへの電子共役プロトン移動の機構とプロトン移動経路を明らかにした．■3) 光化学系IIのキノンの放出に伴うプロトン移動の機構とその経路を解明した．■4) 光化学系IIの非アクティブな電子移動経路上に存在する酸化還元活性をもつチロシン残基(TyrD)の酸化還元に伴い，低障壁水素結合が形成されることを明らかにした．■5) 植物の光化学系IIに特異的にみられる表在性蛋白質の変異体では，変異アミノ酸周辺の水素結合ネットワークが変化するために酸素発生反応に影響を与えることを明らかにした．■6) ロドプシンにおいて色素が形成する低障壁水素結合で起こるプロトン移動により、色素の吸収波長が変化する機構を明らかにした．■7)ヘリオロドプシンではプロトン移動に誘起されて構造変化が起こることを明らかにし，その分子機構を解析した．■8) イネに存在するケイ酸輸送蛋白質における輸送機構と水素結合ネットワークとの関係を明らかにした．

現在までの達成度 (段落)

令和3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3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] Identification of the protonation and oxidation states of the oxygen-evolving complex in the low-dose X-ray crystal structure of photosystem II (2023)
  • 著者名/発表者名: Saito Keisuke、Nakao Shu、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 14 ページ: -
  • DOI: 10.3389/fpls.2023.1029674
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Substitution of Ca²⁺ and changes in the H-bond network near the oxygen-evolving complex of photosystem II (2023)
  • 著者名/発表者名: Mandal Manoj、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 25 ページ: 6473～6480
  • DOI: 10.1039/D2CP05036F
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanism of Absorption Wavelength Shift Depending on the Protonation State of the Acrylate Group in Chlorophyll <i>c</i> (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsujimura Masaki、Sugano Minaka、Ishikita Hiroshi、Saito Keisuke
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 127 ページ: 505～513
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c07232
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electron-Transfer Route in the Early Oxidation States of the Mn₄CaO₅ Cluster in Photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: Tamura Hiroyuki、Saito Keisuke、Nishio Shunya、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 127 ページ: 205～211
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c08246
  • 査読あり
• [雑誌論文] ZBTB2 links p53-deficiency to HIF-1-mediated hypoxia signaling for cancer aggressiveness (2022)
  • 著者名/発表者名: Koyasu Sho、Horita Shoichiro、Saito Keisuke、Kobayashi Minoru、Ishikita Hiroshi、Chow Christalle CT、Kambe Gouki、Nishikawa Shigeto、Menju Toshi、Morinibu Akiyo、Okochi Yasushi、Tabuchi Yoshiaki、Onodera Yasuhito、Takeda Norihiko、Date Hiroshi、Semenza Gregg L、Hammond Ester M、Harada Hiroshi
  • 雑誌名: EMBO reports 巻: 24 ページ: e54042
  • DOI: 10.15252/embr.202154042
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proton transfer and conformational changes along the hydrogen bond network in heliorhodopsin (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsujimura Masaki、Chiba Yoshihiro、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 5 ページ: 1336
  • DOI: 10.1038/s42003-022-04311-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Protonation structure of the closed-cubane conformation of the O2-evolving complex in photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: Saito Keisuke、Mino Hiroyuki、Nishio Shunya、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: PNAS Nexus 巻: 1 ページ: pgac221
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgac221
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] D139N mutation of PsbP enhances the oxygen-evolving activity of photosystem II through stabilized binding of a chloride ion (2022)
  • 著者名/発表者名: Imaizumi Ko、Nishimura Taishi、Nagao Ryo、Saito Keisuke、Nakano Takeshi、Ishikita Hiroshi、Noguchi Takumi、Ifuku Kentaro
  • 雑誌名: PNAS Nexus 巻: 1 ページ: pgac136
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgac136
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Conformational Changes and H-Bond Rearrangements during Quinone Release in Photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: Sugo Yu、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 61 ページ: 1836～1843
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.2c00324
  • 査読あり
• [雑誌論文] Release of a Proton and Formation of a Low-Barrier Hydrogen Bond between Tyrosine D and D2-His189 in Photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: Mandal Manoj、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: ACS Physical Chemistry Au 巻: 2 ページ: 423～429
  • DOI: 10.1021/acsphyschemau.2c00019
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Absorption wavelength along chromophore low-barrier hydrogen bonds (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsujimura Masaki、Tamura Hiroyuki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: iScience 巻: 25 ページ: 104247～104247
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.104247
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanism of Mixed-Valence Fe2.5+・・・Fe2.5+ Formation in Fe4S4 Clusters in the Ferredoxin Binding Motif (2022)
  • 著者名/発表者名: Kanda Tomoki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 126 ページ: 3059～3066
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c01320
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Release of Electrons and Protons from Substrate Water Molecules at the Oxygen-Evolving Complex in Photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: Mandal Manoj、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 ページ: 091012
  • DOI: 10.7566/JPSJ.91.091012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure-guided design enables development of a hyperpolarized molecular probe for the detection of aminopeptidase N activity in vivo (2022)
  • 著者名/発表者名: Saito Yutaro、Yatabe Hiroyuki、Tamura Iori、Kondo Yohei、Ishida Ryo、Seki Tomohiro、Hiraga Keita、Eguchi Akihiro、Takakusagi Yoichi、Saito Keisuke、Oshima Nobu、Ishikita Hiroshi、Yamamoto Kazutoshi、Krishna Murali C.、Sando Shinsuke
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 8 ページ: eabj2667
  • DOI: 10.1126/sciadv.abj2667
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Requirement of Chloride for the Downhill Electron Transfer Pathway from the Water-Splitting Center in Natural Photosynthesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Mandal Manoj、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 126 ページ: 123～131
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c09176
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Long-Range Electron Tunneling from the Primary to Secondary Quinones in Photosystem II Enhanced by Hydrogen Bonds with a Nonheme Fe Complex (2021)
  • 著者名/発表者名: Tamura Hiroyuki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 125 ページ: 13460～13466
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c09538
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural basis for high selectivity of a rice silicon channel Lsi1 (2021)
  • 著者名/発表者名: Saitoh Yasunori、Mitani-Ueno Namiki、Saito Keisuke、Matsuki Kengo、Huang Sheng、Yang Lingli、Yamaji Naoki、Ishikita Hiroshi、Shen Jian-Ren、Ma Jian Feng、Suga Michihiro
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 6236
  • DOI: 10.1038/s41467-021-26535-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electron Acceptor?Donor Iron Sites in the Iron?Sulfur Cluster of Photosynthetic Electron-Transfer Pathways (2021)
  • 著者名/発表者名: Kanda Tomoki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 12 ページ: 7431～7438
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c01896
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanism of the formation of proton transfer pathways in photosynthetic reaction centers (2021)
  • 著者名/発表者名: Sugo Yu、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 ページ: e2103203118
  • DOI: 10.1073/pnas.2103203118
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Role of redox-inactive metals in controlling the redox potential of heterometallic manganese?oxido clusters (2021)
  • 著者名/発表者名: Saito Keisuke、Nakagawa Minesato、Mandal Manoj、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Photosynthesis Research 巻: 148 ページ: 153～159
  • DOI: 10.1007/s11120-021-00846-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The origin of unidirectional charge separation in photosynthetic reaction centers: nonadiabatic quantum dynamics of exciton and charge in pigment?protein complexes (2021)
  • 著者名/発表者名: Tamura Hiroyuki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 12 ページ: 8131～8140
  • DOI: 10.1039/D1SC01497H
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] O-DおよびC=O伸縮振動数を用いたタンパク質内pKaの予測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 辻村真樹、斉藤圭亮、石北央
  • 学会等名: 第12回日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] Energetics of time-dependent structural changes in the photosynthetic electron transfer pathway (2022)
  • 著者名/発表者名: 西川 凱、菅生 優、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 第２回システム生物医学研究会
• [学会発表] Energetics of proton transfers in the communication channel between two active sites of pyruvate oxidase (2022)
  • 著者名/発表者名: 高見 亮成、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 第２回システム生物医学研究会
• [学会発表] Why is the oxygen-evolving complex in photosystem II composed of manganese instead of iron? (2022)
  • 著者名/発表者名: 齊藤 昌弘、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 第２回システム生物医学研究会
• [学会発表] Energy transfer pathways in light harvesting complex II (2022)
  • 著者名/発表者名: 鍵本 拓海、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 第２回システム生物医学研究会
• [学会発表] Effect of chlorine substitution by iodine in oxygen-evolving photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: 陳 楊、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 第２回システム生物医学研究会
• [学会発表] Origin of electron paramagnetic resonance signals from the water-splitting complex in photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: 西尾 俊哉、斉藤 圭亮、三野 広幸、石北 央
  • 学会等名: 第２回システム生物医学研究会
• [学会発表] 水分解反応触媒における電子スピン共鳴 シグナルの起源 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西尾 俊哉、斉藤 圭亮、三野 広幸、石北 央
  • 学会等名: 第36回分子シミュレーション大会
• [学会発表] Molecular mechanisms of light-harvesting and electron-transfer reactions in photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Saito
  • 学会等名: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Origin of electron paramagnetic resonance signals from the water-splitting complex in photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: 西尾 俊哉、斉藤 圭亮、三野 広幸、石北 央
  • 学会等名: 第14回筑波大学計算科学研究センター創立30周年記念シンポジウム
• [学会発表] A newly designed hyperpolarized molecular probe enables the in vivo detection of aminopeptidase N activity from the tumor regions in animals (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Yatabe, Yutaro Saito, Iori Tamura, Yohei Kondo, Ryo Ishida, Tomohiro Seki, Keita Hiraga, Akihiro Eguchi, Yoichi Takakusagi, Keisuke Saito, Nobu Oshima, Hiroshi Ishikita, Kazutoshi Yamamoto, Murali C. Krishna, Shinsuke Sando
  • 学会等名: WMIC2022
  • 国際学会
• [学会発表] 光合成反応中心における一方向の励起子電荷分離経路の分子論的起源 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田村 宏之、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 第16回分子科学討論会
• [学会発表] 光合成反応中心における一方向の励起子電荷分離 経路の起源 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田村 宏之、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 2022年光化学討論会
• [学会発表] 酵素反応速度論に立脚したアミノペプチダーゼ活性検出超偏極MRI分子プローブの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 齋藤 雄太朗、谷田部 浩行、田村 伊織、近藤 洋平、石田 諒、関智 宏、平賀 啓太、江口 晃弘、高草木 洋一、斉藤 圭亮、大嶋野 歩、石北 央、山本 和俊、Murali C. Krishna、山東 信介
  • 学会等名: 第16回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] 光受容タンパク質の色素が形成する低障壁水素結合における吸収波長 (2022)
  • 著者名/発表者名: 辻村 真樹、田村 宏之、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 第48回生体分子科学討論会
• [学会発表] 低障壁水素結合における吸収波長のプロトン位置依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 辻村真樹、斉藤圭亮、石北央
  • 学会等名: 第11回日本光合成学会年会・公開シンポジ ウム
• [学会発表] 微生物型ロドプシンにおける吸収波長と分子機能の考察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 辻村真樹、野地智康、斉藤圭亮、小島慧一、須藤雄気、石北央
  • 学会等名: 第47回生体分子科学討論会
• [学会発表] アニオンチャネルロドプシンにおけるプロトンを介し たアニオン透過機構の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 辻村真樹、野地智康、斉藤圭亮、小島慧一、須藤雄気、石北央
  • 学会等名: 第11回CSJ化学フェスタ2021
• [学会発表] 光合成反応中心におけるプロトン移動経路同定と機能解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 菅生優、斉藤圭亮、石北央
  • 学会等名: 第10回日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] 光合成反応中心におけるプロトン移動経路同定と機能解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 菅生優、斉藤圭亮、石北央
  • 学会等名: 第11回日本光合成学会
• [学会発表] 光合成反応中心におけるプロトン移動経路同定と機能解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 菅生優、斉藤圭亮、石北央
  • 学会等名: 第47回生体分子科学討論会
• [学会発表] 光合成反応中心におけるプロトン移動経路同定と機能解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 菅生優、斉藤圭亮、石北央
  • 学会等名: 第28回光合成セミナー
• [学会発表] 光合成反応中心におけるプロトン移動経路同定と機能解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 菅生優、斉藤圭亮、石北央
  • 学会等名: 第11回CSJ化学フェスタ2021
• [学会発表] Mechanism of the formation of proton transfer pathways in photosynthetic reaction centers (2021)
  • 著者名/発表者名: Yu Sugo, Keisuke Saito, Hiroshi Ishikita
  • 学会等名: 第59回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 光化学系Iにおける鉄硫黄錯体を介した特異な電子移動機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 神田知樹、斉藤圭亮、石北央
  • 学会等名: 第10回日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] 光化学系Iにおける鉄硫黄錯体を介した特異な電子移動機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 神田知樹、斉藤圭亮、石北央
  • 学会等名: 第28回光合成セミナー
• [学会発表] 光化学系Iにおける鉄硫黄錯体を介した特異な電子移動機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 神田知樹、斉藤圭亮、石北央
  • 学会等名: 第11回CSJ化学フェスタ2021
• [学会発表] Electron Acceptor-Donor Iron Sites in the Iron-Sulfur Cluster of Photosynthetic Electron-Transfer Pathways (2021)
  • 著者名/発表者名: 神田知樹、斉藤圭亮、石北央
  • 学会等名: 第59回日本生物物理学会年会