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2021 年度 実績報告書

チラコイド膜リモデリングと光合成の環境適応

研究課題

研究課題/領域番号 21H02508
研究機関岡山大学

研究代表者

坂本 亘  岡山大学, 資源植物科学研究所, 教授 (20222002)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワードチラコイド膜 / 膜リモデリング / 葉緑体 / 光合成 / NTPase
研究実績の概要

今年度は、シアノバクテリアで構造が決定されたVIPP1のin vivoでの機能をシロイヌナズナVIPP1で検証するためのin vitroとin vivoの機能解析を行った。まずin vitro実験では、大腸菌で発現して精製したVIPP1-Hisタンパク質を用いたNTPase活性部位の解析と複合体構造の変化について、点突然変異を導入して検討した。シアノバクテリアでは、構造から明らかになったヌクレオチド結合部位に変異(E126Q/E179Q二重変異)を導入したところATPおよびGTPの加水分解活性が完全に失活していたが、シロイヌナズナに同じ変異を導入したところ、これらの加水分解活性が失活せず、むしろ野生型よりも高い活性を示すことが明らかになった。一方で、N末端側のαヘリックス内のアミノ酸、特に11番目のバリン残基にアミノ酸置換を加えたVIPP1タンパク質では活性が低下する変異が得られた。次にin vivoの実験では、シロイヌナズナvipp1ノックアウト変異(vipp1-ko)をVIPP1-GFPで相補する実験系を用いて、同様のアミノ酸変異を導入することとした。今年度は上述した変異を導入したVIPP1-GFP遺伝子を作成してvipp1-ko変異体ヘテロ個体を形質転換する実験が全て完了した。来年度以降、ホモ個体を選抜しin vitroでの結果を検証する。さらに、チラコイド膜内におけるリモデリング分子VIPP1, CURT1およびFZLの膜内局在を調べたところ、VIPP1はストロマチラコイドに主局在する一方、VIPP1とCURT1はグラナマージンに局在することが確認された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

VIPP1-His融合タンパク質を用いたATP/GTP加水分解活性の解析は、想定した変異を導入して解析が順調に進んだが、シアノバクテリアで見出されたヌクレオチド結合部位に導入した変異がシロイヌナズナでは影響なく、活性を持つことがわかった。この結果は予想外で、シロイヌナズナVIPP1は異なる活性部位を持つことを示している。これまでも、シロイヌナズナVIPP1タンパク質のネガティブ染色による電顕観察ではリング状の構造が得られていないため、シアノバクテリアと植物では異なる性質を持つことが考えられる。今年度作成中の、vipp1変異体をVIPP1-GFPで相補する実験系でも同様の変異を作っているので、来年度以降これらの結果がIn vitro活性の結果と同様であるかを検討する。

今後の研究の推進方策

シロイヌナズナVIPP1のNTPase活性がシアノバクテリアと異なる可能性が指摘されたので、今後、シロイヌナズナVIPP1を用いた構造解析を改めて検討する必要性が生じてきた。このため、来年度以降は、活性測定に加えて、精製VIPP1タンパク質のネガティブ染色電顕観察も試み、オリゴマー構造と活性の相関についても詳しく検討する必要がある。構造解析を進めるにあたり、VIPP1-GFPを葉緑体から精製することも今後検討し、大腸菌からの生成タンパク質だけでない構造解析についても、今後、基礎的知見を収集する。
VIPP1-GFPの相補実験系は海外研究協力者と進めており、コロナ禍の影響で若干遅れているが、来年度にはホモ個体の作成が完了する予定であり、今後、その解析を予定通り進める。
VIPP1および、CURT1, FZLのチラコイド膜局在が生化学的に明らかにできたので、来年度以降は、CURT1, FZLについてもGFP融合タンパク質を発現させる実験系を確立し、今後の機能解析にも用いる。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] 内蒙古大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      内蒙古大学
  • [国際共同研究] ミュンヘン大学(LMU)/カイザースラウテルン工科大学/マールブルグ大学(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      ミュンヘン大学(LMU)/カイザースラウテルン工科大学/マールブルグ大学
    • 他の機関数
      1
  • [雑誌論文] Genetic analysis of chlorophyll synthesis and degradation regulated by BALANCE of CHLOROPHYLL METABOLISM2022

    • 著者名/発表者名
      Yamatani Hiroshi、Ito Takeshi、Nishimura Kenji、Yamada Tetsuya、Sakamoto Wataru、Kusaba Makoto
    • 雑誌名

      Plant Physiology

      巻: 189 ページ: 431-444

    • DOI

      10.1093/plphys/kiac059

  • [雑誌論文] Structural basis for VIPP1 oligomerization and maintenance of thylakoid membrane integrity2021

    • 著者名/発表者名
      Gupta TK、Klumpe S、Gries K、Heinz S、Wietrzynski W、Ohnishi N、Niemeyer J、Spaniol B、Schaffer M、Rast A、Ostermeier M、Strauss M、Plitzko JM、Baumeister W、Rudack T、Sakamoto W、Nickelsen J、Schuller JM.、Schroda M、Engel BD
    • 雑誌名

      Cell

      巻: 184 ページ: 3643~3659.e23

    • DOI

      10.1016/j.cell.2021.05.011

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] NB-LRR-encoding genes conferring susceptibility to organophosphate pesticides in sorghum2021

    • 著者名/発表者名
      Jing Zihuan、Wacera W. Fiona、Takami Tsuneaki、Takanashi Hideki、Fukada Fumi、Kawano Yoji、Kajiya-Kanegae Hiromi、Iwata Hiroyoshi、Tsutsumi Nobuhiro、Sakamoto Wataru
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11 ページ: 19828

    • DOI

      10.1038/s41598-021-98908-7

    • 査読あり
  • [学会発表] シロイヌナズナFZLタンパク質によるグラナマージンにおけるチラコイド膜リモデリングの生理機能2022

    • 著者名/発表者名
      小川 由・田草川 真理・岩野 惠・Lianwei Peng・明賀 史純・鹿内 利治・坂本 亘
    • 学会等名
      第63回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] PGR5の欠損はフェレドキシンからの電子の流れを変えることによってntrc 変異株の生育阻害を回復させる2022

    • 著者名/発表者名
      桶川友季・本橋健・坂本亘
    • 学会等名
      第63回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] Mapping and characterization of QTLs for sorghum seed ionome reveals differential cadmium accumulation in a recombinant inbred population2022

    • 著者名/発表者名
      Fiona W. Wacera・山崎清志・高梨秀樹・藤原徹・堤伸浩・坂本亘
    • 学会等名
      第63回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] オルガネラDNA 分解の異常はオートファジー変異体の早枯れ表現型を抑制する2022

    • 著者名/発表者名
      高見常明・Islam Md. Faridul・坂本亘
    • 学会等名
      第63回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] Revisiting photo-oxidative damage of D1 protein in the PSII repair cycle.2021

    • 著者名/発表者名
      Wataru Sakamoto
    • 学会等名
      Finland-Japan Seminar 2021 Understanding the integrative systems to coordinate paradoxes between enhanced efficiency and stress tolerance of photosynthesis
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Phos-tag を用いた葉緑体チラコイド膜におけるタンパク質リン酸化の解析2021

    • 著者名/発表者名
      (7)坂本 亘・西岡佳司・加藤裕介
    • 学会等名
      第72回日本電気泳動学会
    • 招待講演

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公開日: 2022-12-28  

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