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2023 Fiscal Year Research-status Report

Origin of photosynthetic oxygen evolution on ancient Earth

Research Project

Project/Area Number 22K19270
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

野口 巧  名古屋大学, 理学研究科, 教授 (60241246)

Project Period (FY) 2022-06-30 – 2025-03-31
Keywords光合成 / 光化学系Ⅱ / 酸素発生 / 水分解 / アミノ酸変換 / 進化 / マンガンクラスター
Outline of Annual Research Achievements

これまでの研究において、光化学系Ⅱの光合成酸素発生系において、Mn4CaO5クラスターのカルボキシレート配位子を他のアミノ酸に改変すると、タンパク質レベルでアミノ酸変換を起こし、本来のアスパラギン酸/グルタミン酸に戻るという、翻訳後アミノ酸変換現象を見出していた。しかし、これまでの実験では、変換を起こすアミノ酸は、ヒスチジンやアスパラギン、グルタミンなどの活性置換基を持つアミノ酸に限られていた。そこで、この光合成酸素発生系における翻訳後アミノ酸変換現象の一般性を調べるため、MnとCaを架橋するアスパラギン酸配位子(D1-D170)を、炭化水素鎖で構成され、活性置換基をもたない脂肪族アミノ酸(アラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン)に変換した変異体(D1-D170A, D1-D170V, D1-D170L, D1-D170I)を作成し、これらのアミノ酸が翻訳後アミノ酸変換を起こすか否かを調べた。その結果、D1-D170A変異体では酸素発生は見られなかったが、D1-D170V, D1-D170L, D1-D170I変異体では10-40%程の酸素発生活性が確認できた。また、液体クロマトグラフィー質量分析(LC-MS)解析により、アラニンでは変換が起こらず、バリン、ロイシン、イソロイシンではアスパラギン酸または、アスパラギン酸/グルタミン酸誘導体への変換が認められた。これらのアミノ酸は、Mn4CaO5クラスター構築過程で生成する活性酸素によって酸化され、カルボキシレート配位子が形成されると予想された(アラニンは炭素数が足らずに変換ができない)。これらの結果から、光合成酸素発生系における翻訳後アミノ酸変換は一般的な現象であることが示された。本研究の結果は、この翻訳後アミノ酸変換現象が、光合成酸素発生の起源と進化に関与したという我々の仮説を支持するものである。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

光化学系Ⅱの酸素発生系におけるアミノ酸変換によるMn4CaO5クラスターのカルボキシラート配位子形成が、DNAレベルではなく、タンパク質レベルで翻訳後に起こる現象であることを、同位体置換アミノ酸とLC-MSおよびFTIR解析を用いて確実に証明した。また、イミダゾールやアミド基などの活性置換基を持つアミノ酸(His, Asn, Gln)だけではなく、炭化水素鎖のみで側鎖が構成される脂肪族アミノ酸(Val, Leu, Ile)に改変した変異体についても、翻訳後アミノ酸変換によるカルボキシラート配位子形成と酸素発生活性の回復を観測することができた。これらの結果から、光合成酸素発生系における翻訳後アミノ酸変換現象がMn4CaO5クラスターのカルボキシラート配位子を形成する一般的な現象であることを示すことができた。このように、祖先型光化学系Ⅱにおける翻訳後アミノ酸変換が、24億年前の大酸化イベント以前の太古の地球における酸素発生の起源である、という我々の仮説を支持する結果が順調に得られてきている。

Strategy for Future Research Activity

これまでに、光化学系Ⅱの光合成酸素発生系の配位子位置における、イミダゾール基を持つヒスチジン、アミド基をもつアスパラギンおよびグルタミン、炭化水素鎖から成る脂肪族アミノ酸(バリン、ロイシン、イソロイシン)のアスパラギン酸/グルタミン酸、あるいはその誘導体への変換と酸素発生活性回復が確かめられた。そこで、芳香族アミノ酸や含硫黄アミノ酸など、他のアミノ酸に改変した変異体を作製し、その翻訳後アミノ酸変換の可能性をさらに追求する。また、アミノ酸の位置依存性(どの配位子位置でも変換可能か、あるいは配位子位置以外のアミノ酸残基でも変換可能か)を調べる。さらに、アミノ酸変換の中間体をLC-MSを用いて検出する、遊離アミノ酸と活性酸素の反応による生成物を調べるなどして、翻訳後アミノ酸変換の化学機構を調べ、本アミノ酸変換現象の全貌を明らかにする。そして、翻訳後アミノ酸変換の酸素発生系の起源と進化における役割についての洞察を得る。

  • Research Products

    (19 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Overall reaction mechanism of photocatalytic CO2 reduction on a Re(I)-complex catalyst unit of a Ru(II)-Re(I) supramolecular photocatalyst2024

    • Author(s)
      Kamogawa Kei、Kato Yuki、Tamaki Yusuke、Noguchi Takumi、Nozaki Koichi、Nakagawa Tatsuo、Ishitani Osamu
    • Journal Title

      Chemical Science

      Volume: 15 Pages: 2074~2088

    • DOI

      10.1039/D3SC06059D

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mechanism of Proton Transfer through the D1-E65/D2-E312 Gate during Photosynthetic Water Oxidation2024

    • Author(s)
      Noguchi Takumi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 128 Pages: 1866~1875

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.3c07787

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Access to the Antenna System of Photosystem I via Single-Molecule Excitation-Emission Spectroscopy2024

    • Author(s)
      Zhang Xianjun、Taniguchi Rin、Nagao Ryo、Tomo Tatsuya、Noguchi Takumi、Ye Shen、Shibata Yutaka
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 128 Pages: 2664~2674

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.3c07789

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Contributions of PD1 and PD2 to the [PD1PD2]+-minus-[PD1PD2] difference spectrum in the Soret region in Photosystem II2024

    • Author(s)
      Boussac Alain、Sugiura Miwa、Nagao Ryo、Noguchi Takumi、Rutherford A. William、Selles Julien
    • Journal Title

      bioRxiv

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1101/2024.02.15.580457

    • Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Rapid-Scan Fourier Transform Infrared Monitoring of the Photoactivation Process in Cyanobacterial Photosystem II2023

    • Author(s)
      Matsubara Takumi、Shimada Yuichiro、Kitajima-Ihara Tomomi、Nagao Ryo、Noguchi Takumi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 127 Pages: 8150~8161

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.3c04325

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Absorption changes in Photosystem II in the Soret band region upon the formation of the chlorophyll cation radical [PD1PD2]+2023

    • Author(s)
      Boussac Alain、Sugiura Miwa、Nakamura Makoto、Nagao Ryo、Noguchi Takumi、Viola Stefania、Rutherford A. William、Selles Julien
    • Journal Title

      Photosynthesis Research

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1007/s11120-023-01049-3

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 太古の地球における酸素の起源2023

    • Author(s)
      野口 巧
    • Journal Title

      生化学

      Volume: 95 Pages: 341~345

    • DOI

      10.14952/SEIKAGAKU.2023.950341

    • Open Access
  • [Presentation] 光化学系IIにおける第二キノン電子受容体QBの電子・プロトン移動反応の時間分解赤外分光検出2024

    • Author(s)
      加藤祐樹、伊藤帆奈美、野口巧
    • Organizer
      日本植物生理学会年会
  • [Presentation] 光合成酸素発生系における脂肪族アミノ酸の翻訳後変換によるカルボキシラート配位子形成2024

    • Author(s)
      水江初音、 鈴木健裕、松原巧、北島(井原)智美、平野美奈子、嶋田友一郎、加藤祐樹、堂前直、野口巧
    • Organizer
      日本植物生理学会年会
  • [Presentation] 光化学系Ⅱにおけるクロロフィル励起三重項状態の消光による光保護機構2023

    • Author(s)
      横川瑞生、加藤祐樹、野口巧
    • Organizer
      日本光合成学会年会
  • [Presentation] 光化学系IIチロシンDの酸化還元電位を分光電気化学測定で評価する2023

    • Author(s)
      加藤祐樹、岩銅壮平、政本彩帆、三野広幸、野口巧
    • Organizer
      第30回光合成セミナー
  • [Presentation] Mechanistic investigation of CO2 reduction using a Ru(II)-Re(I) supramolecular photocatalyst2023

    • Author(s)
      Kei Kamogawa, Yuki Kato, Yuushi Shimoda, Kiyoshi Miyata, Ken Onda, Takumi Noguchi, Yusuke Tamaki, Osamu Ishitani
    • Organizer
      20th International Conference on Carbon Dioxide Utilization
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Photocatalytic CO2 reduction mechanism by a Re(I) catalyst after photoinduced one-electron reduction2023

    • Author(s)
      Kei Kamogawa, Yuki Kato, Yuushi Shimoda, Kiyoshi Miyata, Ken Onda, Takumi Noguchi, Yusuke Tamaki, Osamu Ishitani
    • Organizer
      光化学討論会
  • [Presentation] The D139N mutation of PsbP enhancing the oxygen-evolving activity of photosystem II and its introduction into Arabidopsis thaliana2023

    • Author(s)
      Ko Imaizumi, Shin-ichi Arimura, Taishi Nishimura, Ryo Nagao, Keisuke Saito, Takeshi Nakano, Hiroshi Ishikita, Takumi Noguchi, Kentaro Ifuku
    • Organizer
      Taiwan-Japan Plant Biology 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 光合成水分解系の起源、形成、分子機構2023

    • Author(s)
      野口巧
    • Organizer
      第13回CSJ化学フェスタ2023
    • Invited
  • [Presentation] 光化学系Ⅱにおけるクロロフィル励起三重項状態の消光機構2023

    • Author(s)
      横川瑞生、加藤祐樹、野口巧
    • Organizer
      日本生物物理学会年会
  • [Presentation] 光化学系IIの酸素発生系における翻訳後アミノ酸変換:脂肪族アミノ酸の変換2023

    • Author(s)
      水江初音, 鈴木健裕, 松原巧, 北島(井原)智美, 平野美奈子, 嶋田友一郎, 加藤祐樹, 堂前直, 野口巧
    • Organizer
      日本生物物理学会年会
  • [Presentation] 1分子励起-蛍光スペクトル分光法による光化学系Iのアンテナ分子への観察2023

    • Author(s)
      XianJun Zhang, Joachim Martin Seibt, Rin Taniguchi, Ryo Nagao, Tatsuya Tomo, Takumi Noguchi, Shen Ye, Thomas Renger, Yutaka Shibata
    • Organizer
      日本生物物理学会年会
  • [Remarks] 光生体エネルギー研究室

    • URL

      https://www.bio.phys.nagoya-u.ac.jp/index.html

URL: 

Published: 2024-12-25  

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