植物が眠るしくみ：タンパク質酸化システムによる光合成抑制機構の解明

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K21268
• 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): 2020-07-30 – 2023-03-31
• キーワード: レドックス制御 / 光合成 / 葉緑体 / タンパク質

研究実績の概要

酸化還元を基盤としたタンパク質の機能制御であるレドックス制御は、植物の光合成の調節に必須の役割を果たしている。しかしながら、夜間の光合成の機能オフを可能にする酸化側のメカニズムはほとんど明らかになっていなかった。本研究では、研究代表者が同定したタンパク質酸化因子チオレドキシンライク２（TrxL2）に注目しながら（PNAS 2018）、レドックス制御の酸化側の分子機構と生理的役割を包括的に明らかにすることを目的とした。その結果、以下の成果を得ることができた。１）葉緑体型ホスホフルクトキナーゼを新規のレドックス制御の標的酵素として同定し、さらに制御の分子機構を詳細に明らかにした。特に、この酵素はTrxL2依存的な酸化によって活性化を受ける稀少なタイプの酵素であることを明らかにした。２）ゲノム編集技術を用いて、レドックス制御の標的酵素であるリンゴ酸脱水素酵素のレドックススイッチ部位を欠損させた変異株シロイヌナズナを作出した。一連の表現型解析から、この酵素のレドックス制御が変動光環境で果たす重要性を明らかにした。３）TrxL2の他、もう一つのタンパク質酸化因子であるACHTにも着目し、それぞれの因子をノックアウトした変異株シロイヌナズナを作出した。それらの明暗移行時のタンパク質の酸化応答を詳細に分析・比較し、各酸化因子が酸化の標的とする酵素の選択性をin vivoレベルで明らかにした。これらの成果は、光合成を夜間に抑制するタンパク質酸化システムの実体を多角的に明らかにしたものと言える。

研究成果

• [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
• [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 M., Horie M., Kumaki Y., Yoneyama T., Kore-eda S., Mitsuyama S., Yoshida K., Hisabori T., Nishiyama Y.
  • 雑誌名: Biochem. J. 巻: 480 ページ: 307-318
  • DOI: 10.1042/BCJ20220609
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two specific domains of the gamma subunit of chloroplast FOF1 provide redox regulation of the ATP synthesis through conformational changes (2023)
  • 著者名/発表者名: Akiyama K., Ozawa S-I., Takahashi Y., Yoshida K., Suzuki T., Kondo K., Wakabayashi K-I., Hisabori T.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 巻: 120 ページ: e2218187120
  • DOI: 10.1073/pnas.2218187120
  • 査読あり
• [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 ページ: 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 ページ: 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 K-I., Yoshida K., Hisabori T.
  • 雑誌名: Antioxidants 巻: 11 ページ: 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 K-I., Hisabori T., Mihara S.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 63 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] 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
• [備考] 東工大化生研 田中・吉田研究室
  • URL: http://www.res.titech.ac.jp/~biores/