Effects of site-directed mutations on photosynthetic water oxidation reactions

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K07442
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 長尾 遼 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任講師 (30633961)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 光合成 / 植物・藻類 / 赤外分光

Outline of Annual Research Achievements

酸素発生型光合成生物のチラコイド膜内に存在する光化学系II（PSII）は、水を分解し酸素を発生する光反応タンパク質である。本研究は、光合成水分解反応の各素反応に関与するアミノ酸の部位特異的変異体を作成し、変異体から精製したPSIIを用いて赤外分光測定による詳細な反応機構の解明を目指す。
水分解反応で生じるプロトンがどの水素結合ネットワークを経て膜外へと放出されるのか明らかにするために、マンガンクラスターを構成する酸素原子（O4）を経由する水素結合ネットワーク上のアミノ酸D1-Ser169に変異導入し、精製PSIIを試料とし赤外分光解析した。フーリエ変換赤外分光および時間分解赤外分光測定により、各S状態遷移におけるD1-S169A変異の影響が小さいことを見出した。一方、熱発光測定の結果、D1-S169がマンガンクラスターの酸化還元電位に寄与することが判明した。このことは、O4を経由するネットワークがプロトン移動経路としてではなく水分子の輸送経路として機能することを示唆する。以上の成果を論文として纏めた。
マンガンクラスターにはいくつかのアミノ酸が配位子として結合する。このうちD1-Asp170をHisへ置換する変異導入を行い、精製PSIIを試料とし赤外分光解析した。得られたスペクトルは野生株と全く同じであった。質量分析の結果、変異体のD1-D170のサイトに変異が入っていないことが判明した。変異体細胞の全ゲノムシーケンスをしたところ、ゲノム上ではたしかに変異導入されていた。培養条件を検討したところ、興味深いことに、従属栄養条件下でのみD1-D170Hの変異がタンパク質レベルで有意に確認された。これらの結果は、光合成生物にとって必須であるマンガンクラスター周辺のアミノ酸は、培養条件により翻訳システムが変わることを示しているのかもしれない。以上の成果を論文として纏めた。

Research Products

• [Journal Article] pH-induced regulation of excitation energy transfer in cyanobacterial photosystem I tetramer (2020)
  • Author(s): Nagao, R., Yokono, M., Ueno, Y., Jiang, T.-Y., Shen, J.-R., Akimoto, S.
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 124 Pages: 1949-1954
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c01136
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Role of the O4 channel in photosynthetic water oxidation as revealed by Fourier transform infrared difference and time-resolved infrared analysis of the D1-S169A mutant (2020)
  • Author(s): Shimada, Y., Kitajima-Ihara, T., Nagao, R., Noguchi, T.
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 124 Pages: 1470-1480
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b11946
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Excitation-energy transfer and quenching in diatom PSI-FCPI upon P700 cation formation (2020)
  • Author(s): Nagao, R., Yokono, M., Ueno, Y., Shen, J.-R., Akimoto, S.
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 124 Pages: 1481-1486
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c00715
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis for the adaptation and function of chlorophyll f in photosystem I (2020)
  • Author(s): Kato, K., Shinoda, T., Nagao, R., Akimoto, S., Suzuki, T., Dohmae, N., Chen, M., Allakhverdiev, S.I., Shen, J.-R., Akita, F., Miyazaki, N., Tomo, T.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 11 Pages: 238
  • DOI: 10.1038/s41467-019-13898-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fourier transform infrared and mass spectrometry analyses of a site-directed mutant of D1-Asp170 as a ligand to the water-oxidizing Mn4CaO5 cluster in photosystem II (2020)
  • Author(s): Kitajima-Ihara, T., Suzuki, T., Nakamura, S., Shimada, Y., Nagao, R., Dohmae, N., Noguchi, T.
  • Journal Title: Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg. Volume: 1861 Pages: 148086
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2019.148086
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of excess light energy on excitation-energy dynamics in a pennate diatom Phaeodactylum tricornutum (2019)
  • Author(s): Nagao, R., Ueno, Y., Yokono, M., Shen, J.-R., Akimoto, S.
  • Journal Title: Photosynth. Res. Volume: 141 Pages: 355-365
  • DOI: 10.1007/s11120-019-00639-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spectral properties and excitation relaxation of novel fucoxanthin chlorophyll a/c-binding protein complexes (2019)
  • Author(s): Ueno, Y., Nagao, R., Shen, J.-R., Akimoto, S.
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: 10 Pages: 5148-5152
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b02093
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis for energy harvesting and dissipation in a diatom PSII-FCPII supercomplex (2019)
  • Author(s): Nagao, R., Kato, K., Suzuki, T., Ifuku, K., Uchiyama, I., Kashino, Y., Dohmae, N., Akimoto, S., Shen, J.-R., Miyazaki, N., Akita, F.
  • Journal Title: Nat. Plants Volume: 5 Pages: 890-901
  • DOI: 10.1038/s41477-019-0477-x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] pH-sensing machinery of excitation energy transfer in diatom PSI-FCPI complexes (2019)
  • Author(s): Nagao, R., Yokono, M., Ueno, Y., Shen, J.-R., Akimoto, S.
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: 10 Pages: 3531-3535
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b01314
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Does the water-oxidizing Mn4CaO5 cluster regulate the redox potential of the primary quinone electron acceptor QA in photosystem II? A study by Fourier transform infrared spectroelectrochemistry (2019)
  • Author(s): Kato, Y., Ohira, A., Nagao, R., Noguchi, T.
  • Journal Title: Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg. Volume: 1860 Pages: 148082
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2019.148082
  • Peer Reviewed
• [Presentation] FTIR study on the localization of the excited triplet state of chlorophyll in photosystem II (2019)
  • Author(s): Taichi Hayase, Yuichiro Shimada, Ryo Nagao, Takumi Noguchi
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Time-resolved infrared analysis of proton release pathways in photosynthetic water oxidation using a D1-N298A mutant and NO3－ substitution (2019)
  • Author(s): Yasutada Okamoto, Yuichiro Shimada, Ryo Nagao, Takumi Noguchi
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Molecular mechanism of pH-dependent electron-flow regulation in photosystem II (2019)
  • Author(s): Yuichiro Shimada, Seiryu Nakajima, Ryo Nagao, Takumi Noguchi
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 光化学系IIにおけるpHに依存する電子移動制御の分子機構 (2019)
  • Author(s): 嶋田友一郎、中島聖竜、長尾遼、野口巧
  • Organizer: 第10回日本光合成学会