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～

2022年4月14日

岡山大学
理化学研究所
東北大学
神戸大学

◆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。

　　岡山大学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。 PSII1個（紫色）、FCPヘテロ四量体2個（赤点線で囲んだ部分）、FCP単量体3個（黄色、緑色、橙色）を1セット、灰色の部分がもう1セットとなり二量体を形成する。二量体の境界面は緑色の線を引いている。FCPヘテロ四量体のうち、それぞれの色は同一の遺伝子を示す。

◆研究者からひとこと

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 Murakami^3,5, Yoshiki Nakajima¹, Makio Yokono⁶, Seiji Akimoto³, Naoshi Dohmae⁴, Koji Yonekura^2,7,8, 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

＜詳しい研究内容について＞
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～


＜お問い合わせ＞
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）
（電話番号）086-251-8502
（メール）nagaoryo◎okayama-u.ac.jp
※@を◎に置き換えています。
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（Web site）https://ryoagan.wixsite.com/nagaoryo

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）
（電話番号）0791-58-2837
（メール）yone◎spring8.or.jp
※@を◎に置き換えています。