光合成を調節する光スイッチの動作するしくみを解明

本研究の成果は、光合成の環境応答のメカニズムの理解への貢献や、光遺伝学などの応用研究の進展への貢献も期待されます。

【詳細】
シアノバクテリアは、地球の物質循環や生態系に大きな影響を与えることが知られています。シアノバクテリアは多様な環境下で光合成を行うために、光環境の変化に応じて光合成機能を柔軟に調節する能力を進化させてきました。
近年の研究によって、シアノバクテリアはビリン発色団を結合した光受容タンパク質の一群である「シアノバクテリオクロム」を持ち、様々な光の色を感知する能力を持つことが明らかとなりつつあります。特に、緑色光と赤色光を感知するシアノバクテリオクロムRcaEは、光合成アンテナタンパク質のかたちや吸収する光の色を調節する「光スイッチ」としてはたらくことが明らかとなっています（図１）。
この能力は「光色順化」と呼ばれ、光合成生物における環境応答の代表的な例として１世紀以上も前から知られています。本研究グループは以前に、2つの状態をとるRcaEの一方の状態である赤色光吸収状態（Pr）の構造の解明に成功していました（図２）。
しかし、もう一方の緑色光吸収状態（Pg）の構造は明らかになっておらず、光照射によってどのような構造変換が起きているのかは謎に包まれていました。


今回、シアノバクテリオクロムRcaEのPg状態の構造とその詳細の解析に、4つの手法を組みわせたアプローチで挑戦しました。X線結晶構造解析、ビリン発色団の化学合成、NMR測定、量子化学計算です。
これらの解析には国内研究者総勢17名が参画し、豊橋技術科学大学応用化学・生命工学課程　藤田雄也氏、博士前期課程　加茂尊也氏（当時）、濱田雅子技術補佐員、浴俊彦教授、広瀬侑准教授らの研究グループ、東京薬科大学薬学部　永江峰幸助教、青山洋史准教授、三島正規教授らのグループ、佐賀大学理工学部　瀬戸涼香氏、藤澤知績准教授、海野雅司教授らのグループ、金沢大学大学院自然科学研究科物質化学専攻博士前期課程　土田竜也氏（当時）、添田貴宏准教授、宇梶裕教授らのグループ、大阪大学蛋白質研究所　宮ノ入洋平准教授、自治医科大学医学部生理学講座　佐藤文菜講師、東京都立大学大学院理学研究科　伊藤隆教授が協力して研究に取り組みました。


まず、本研究グループはRcaEのPg状態のX線結晶構造解析に取り組みました。
Pr状態では比較的容易に結晶構造が解明できましたが、Pg状態ではなかなかよい結晶が得られず、解析は難航しました。そこで、結晶構造解析に用いるRcaEタンパク質の長さや、精製に使用するタグ配列を詳細に検討することにより、Pg状態の構造を1.75Å（0.175ナノメートル）という高い分解能で解明することに成功しました。
ビリン発色団の化学構造を見ると、ピロール環という構造が4つあり、A環からD環までの名前が付いています。構造が明らかになったPg状態では、ビリン発色団の４つのピロール環のうち、D環が外側を向いた構造（C15-Z,anti）をとっていました（図３）。
このような構造はほかのビリン色素を結合している光受容体でも報告され、ビリン発色団が水分子や、取り囲むタンパク質に含まれる親水性のアミノ酸残基との間で、水素結合をつくることが報告されていました。
しかし、今回明らかとなったRcaEのPg状態では、発色団が疎水性のアミノ酸残基によって取り囲まれ、水分子が排除されていることがわかりました（図３）。