【情報発信】始原的なシアノバクテリアの光化学系I複合体の立体構造を解明 ～光合成生物の進化を紐解くきっかけに～

岡山大学と理化学研究所、東北大学、神戸大学の共同研究成果です！

  

＜発表のポイント＞

• クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子構造解析により、酸素発生型光合成を行う生物の中で最も始原的なシアノバクテリアGloeobacter violaceus（以下、グレオバクター）の光化学系Ⅰ（PSI）の詳細な立体構造を決定しました。
• これまで報告されているPSI構造と比較したところ、グレオバクターPSIにはタンパク質の構造や色素分子の配置に大きな違いがあることを見出しました。
• グレオバクターPSIで特異的に見出された構造の特徴は、酸素発生型光合成生物の進化の初期段階の形質であると考えられるため、シアノバクテリアがどのように酸素発生型光合成機構を獲得してきたかの謎を紐解く鍵になることが期待されます。

◆概 要
　国立大学法人岡山大学（本部：岡山市北区、学長：槇野博史）異分野基礎科学研究所の長尾遼特任講師、加藤公児特任准教授、沈建仁教授と理化学研究所放射光科学研究センターの米倉功治グループディレクター(東北大学多元物質科学研究所教授)、浜口祐研究員（現客員研究員、東北大学多元物質科学研究所准教授）の研究グループは、神戸大学の秋本誠志准教授、村上明男准教授(現研究員)と理化学研究所環境資源科学研究センターの堂前直ユニットリーダーとの共同研究により、クライオ電子顕微鏡を用いて、始原的なシアノバクテリアであるグレオバクターのPSI三量体の立体構造解析に成功しました。

　他のシアノバクテリアのPSI三量体とは異なり、特定のサブユニットのアミノ酸配列や色素分子の配置に大きな差異を見出しました。特に、クロロフィルのいくつかがグレオバクターPSIで欠落していました。

　このようなPSIの特徴は、光合成生物の進化の指標となることが期待されます。

　本研究成果は日本時間2022年4月11日、英国の科学雑誌「eLife」に掲載されました。
 

図１. グレオバクターPSIの立体構造
（Ａ）グレオバクターPSI三量体の立体構造。マゼンタ、シアン、オレンジ、のそれぞれがPSI単量体。（Ｂ）PsaA（赤）、PsaB（青）、PsaF（緑）を表した。
 

図２. グレオバクターPSIのタンパク質構造の特徴
グレオバクターPSIの単量体に着目し、他の生物の構造とは異なるPsaA（赤）、PsaB（青）、PsaF（緑）の特徴的な構造を示した。
 

図３. グレオバクターPSIのクロロフィルの特徴
（A）グレオバクターPSI単量体のクロロフィル（青）と他のシアノバクテリアPSIクロロフィル（緑）との違いを示した。赤点線は特徴的なクロロフィル。（B）特徴的なクロロフィルの拡大図（Aの赤点線で囲んだ部分）。グレオバクターPSI（青）、他のシアノバクテリアPSI（緑）。他のシアノバクテリアPSIでは、ヒスチジン（His）と水分子（シアン）が水素結合し、さらにその水がクロロフィルに配位していた。一方、グレオバクターPSIでは、ヒスチジンではなくフェニルアラニン（Phe）であるため、水素結合が形成されず、クロロフィルをもつことができない。


◆長尾遼特任講師からのひとこと
　光合成生物にとって当たり前のチラコイド膜をグレオバクターは持たず、細胞膜上で光合成をします。このため始原的なシアノバクテリアと呼ばれてきました。この論文ではグレオバクターのPSIの立体構造解析に成功したため、始原的な光合成生物の光合成特性を示すことができました。今後は、タンパク質分子レベルでの光合成生物の進化に踏み込んでいきたいです。

長尾 遼 特任講師

◆論文情報
　論 文 名：“Structural basis for the absence of low-energy chlorophylls in a photosystem I trimer from Gloeobacter violaceus”
　　　　　「始原的なシアノバクテリアであるグレオバクターの光化学系I複合体における低エネルギークロロフィル欠損の構造的基盤」
　掲 載 紙：eLife
　著 　者：Koji Kato1, Tasuku Hamaguchi2, Ryo Nagao1, Keisuke Kawakami2, Yoshifumi Ueno3, Takehiro Suzuki4, Hiroko Uchida5, Akio Murakami3,5, Yoshiki Nakajima1, Makio Yokono6, Seiji Akimoto3, Naoshi Dohmae4, Koji Yonekura2,7,8, and Jian-Ren Shen1
　URL/DOI： https://doi.org/10.7554/eLife.73990
　 所属一覧：1岡山大学・異分野基礎科学研究所
　　　　　　 2理化学研究所・放射光科学研究センター
　　　　　　 3神戸大学大学院・理学研究科
　　　　　　 4理化学研究所・環境資源科学研究センター
　　　　　　 5神戸大学・内海域環境教育研究センター
　　　　　　 6北海道大学・低温科学研究所
　　　　　　 7東北大学・多元物質科学研究所
　　　　　　 8理化学研究所・理研-JEOL連携センター


◆詳しいプレスリリースについて
　始原的なシアノバクテリアの光化学系I複合体の立体構造を解明～光合成生物の進化を紐解くきっかけに～
　https://www.okayama-u.ac.jp/up_load_files/press_r4/press20220414-1.pdf


◆参 考
・【岡山大学】「強すぎる光」に対する藻類の生存戦略を解明！ 強光を受けた際の有用藻類ユーグレナの光エネルギー利用機構を明らかに
　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000104.000072793.html
・【岡山大学】光捕集複合体フィコビリソームの単粒子構造解析 －藻類の太陽光エネルギーを吸収するタンパク質構造を解明－
　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000119.000072793.html
・【岡山大学】窒素固定を行うアナベナヘテロシストの光捕集機構を解明 ～窒素肥料依存による環境負荷の低減につながる発見～
　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000353.000072793.html
・【岡山大学】光合成真核生物で初の光化学系I複合体の多量体構造を解明～原核生物から真核生物への進化を解明する糸口に～
　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000620.000072793.html
・【岡山大学】珪藻の光化学系II－集光性色素タンパク質超分子複合体の立体構造解明 ～集光性色素タンパク質の進化を紐解く糸口に～
　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000629.000072793.html


◆参考情報
・岡山大学異分野基礎科学研究所（RIIS）
　http://www.riis.okayama-u.ac.jp/
・【岡山大学】岡山大学異分野基礎科学研究所竣工式を挙行しました
　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000089.000072793.html

 

岡山大学異分野基礎科学研究所（RIIS）が所在する岡山大学津島キャンパス（岡山市北区）

◆本件お問い合わせ先
　岡山大学異分野基礎科学研究所 特任講師　長尾 遼（ながお りょう）
　〒700-8530 岡山県岡山市北区津島中3丁目1番1号 岡山大学津島キャンパス
　TEL：086-251-8502
　E-mail：nagaoryo◎okayama-u.ac.jp
　　　　　※ ◎を@に置き換えて下さい
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　YouTube：https://www.youtube.com/channel/UC8aXWfXWUzxNzAiHpuFRaTQ
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　理化学研究所 放射光科学研究センター グループディレクター　米倉功治 （よねくら こうじ）
　（理化学研究所 科技ハブ産連本部 バトンゾーン研究推進プログラム 理研-JEOL連携センター 次世代電子顕微鏡開発連携ユニット ユニットリーダー、東北大学 多元物質科学研究所 教授）
　TEL：0791-58-2837
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　　　　　※ ◎を@に置き換えて下さい

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　岡山大学『THEインパクトランキング2021』総合ランキング 世界トップ200位以内、国内同列１位!!
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　岡山大学『大学ブランド・イメージ調査2021～2022』「SDGsに積極的な大学」中国・四国１位!!
　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000373.000072793.html
　岡山大学『企業の人事担当者から見た大学イメージ調査2022年度版』中国・四国１位!!
　https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000122.000072793.html

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https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000640.000072793.html