2023年 | プレスリリース・研究成果
シアノバクテリアの光化学系I単量体IsiA超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契機に～
【本学研究者情報】
〇多元物質科学研究所 教授 米倉功治
研究室ウェブサイト
【発表のポイント】
- クライオ電子顕微鏡（注１）を用いた単粒子構造解析（注２）により、酸素発生型光合成（注３）を行うシアノバクテリア（注４）Anabaena sp. PCC 7120（以下、アナベナ）の光化学系I（PSI）（注５）と集光性色素タンパク質（注６）IsiAから構成されるPSI-IsiA超複合体の立体構造を決定しました。
- アナベナPSI-IsiAはPSI単量体に6個のIsiAが結合しており、複合体の構成成分がこれまで報告されている他のシアノバクテリア由来PSI-IsiA構造と大きく異なることを見出しました。
- アナベナPSI-IsiA構造の特徴は、シアノバクテリアIsiAの多様性を示唆しており、光合成生物がどのように光捕集機構を獲得し、進化させてきたのかという謎を紐解く鍵になることが期待されます。
【概要】
岡山大学異分野基礎科学研究所の長尾遼特任講師（現静岡大学農学部准教授）、加藤公児特任准教授（現JASRI研究員）、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を併任)、浜口祐研究員（現東北大学多元物質科学研究所准教授）、川上恵典研究員の研究グループは、神戸大学の秋本誠志准教授、東京都立大学の得平茂樹教授、理化学研究所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、シアノバクテリアのアナベナ由来PSI-IsiA超複合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-IsiA超複合体と比べると、IsiAサブユニットの発現および配置が大きく異なることを見出しました。シアノバクテリアにおけるIsiAの分子特性は、光合成生物の光捕集機構の進化を考察するうえで重要な指標となることが期待されます。本研究成果は日本時間2月17日、英国の科学雑誌「Nature Communications」に掲載されました。
図１. PSI-IsiAの立体構造
A：既に報告されているPSI三量体-IsiA構造。PSI（灰色）とIsiA（赤色）を図示した。ラベルされているPSIの単量体が三つ結合して三量体を形成する。単一遺伝子由来のIsiAが18個結合し（1~18の番号を付与）、リング状構造を形成する。
B：本研究で解明したPSI単量体-IsiA構造。PSIの単量体（灰色）に対して、6個のIsiAが結合する。IsiA2-1（赤色）、IsiA1-4（青色）、IsiA1-5（青色）はそれぞれの遺伝子を同定した。IsiA1-4およびIsiA1-5は同じ遺伝子産物である。緑色のIsiAは今回の研究では遺伝子を同定できなかった。この図から、IsiA2-1はPSI単量体間相互作用の境界に位置することがわかる。
【用語解説】
注1.クライオ電子顕微鏡
タンパク質などの生体分子を水溶液中の生理的な環境に近い状態で、電子顕微鏡で観察するために開発された手法です。まず、試料を含む溶液を液体エタン（約－170℃）に落下させて急速凍結し、アモルファス（非晶質、ガラス状）な薄い氷に包埋します。これを液体窒素（－196℃）条件下で、透過型電子顕微鏡で観察します。電子顕微鏡内の真空中では試料は凍結状態を保持でき、また、冷却することにより電子線の照射による損傷を減らすことができます。
注2.単粒子構造解析
電子顕微鏡で撮影した多数の生体分子の像から、その立体構造を決定する構造解析手法のことをいいます。2017年のノーベル化学賞の受賞者の一人、Joachim Frankらにより単粒子解析法の基礎がつくられました。
注3.酸素発生型光合成
光合成には酸素発生型光合成と酸素非発生型光合成があります。酸素発生型光合成は、光化学系I、シトクロムb6f、光化学系II、ATP合成酵素と呼ばれるそれぞれの膜タンパク質複合体によって駆動され、光エネルギーを利用して水と二酸化炭素から炭水化物と酸素を合成します。酸素非発生型光合成生物が進化して酸素発生型光合成生物になったと考えられています。
注4.シアノバクテリア
酸素発生の能力をはじめて獲得した、核をもたない光合成微生物で、植物の葉緑体の起源になったと考えられています。シアノバクテリアは約30億年の進化の歴史をもつため、光合成色素や代謝能力など種毎に変化に富んだ形質をもちます。
注5.光化学系I（PSI）
光エネルギーを化学エネルギーへ変換する膜タンパク質複合体です。PSIは10種類以上のサブユニットから構成され、補欠因子として、金属錯体、色素分子（クロロフィルやカロテノイド）がタンパク質に結合しています。クロロフィルとカロテノイドはそれぞれ特有の光エネルギー吸収帯を持ち、光捕集に重要な役割を担います。
注6.集光性色素タンパク質
太陽光エネルギーを捕集し、光化学系Iや光化学系IIに伝達するための色素タンパク質です。パラボラアンテナのように光エネルギーを集めるため、アンテナタンパク質とも言われます。集光性色素タンパク質は光合成生物種間で多様であるため、結果として、光合成生物に見た目の色の違いが生じます。
問い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
教授 米倉 功治（よねくら こうじ）
TEL: 022-217-5380
E-mail: koji.yonekura.a5*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
広報情報室
TEL: 022-217-5198
E-mail: press.tagen*grp.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
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