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最終更新日:2020.01.15

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トピックス 2012.12.18

【研究発表】新規光受容体シアノバクテリオクロムの立体構造決定 ―光による細胞制御へ期待―

1.発表者:
成川礼(東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻 助教・JSTさきがけ 兼任研究者)
池内昌彦(東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻 教授)

2.発表のポイント:
◆新規光受容体シアノバクテリオクロムの光受容部位の立体構造を世界で初めて決定し、光応答機構に関して理解が深まった。
◆今回決定した構造を基に解析を進めることで、シアノバクテリオクロムの光応答機構の全
容が解明でき、分子デザインを進めることで光による細胞制御研究の展開が期待される。

3.発表概要:
シアノバクテリアは光をエネルギー源として酸素発生型光合成を行う原核生物であり、光を感知するための高度な機構を備えています。シアノバクテリアにおいては、シアノバクテリオクロムという光受容体群が紫外光から赤色光まで幅広い光を感知し、様々な光応答現象を制御しています。シアノバクテリオクロムは、二つの光吸収型の間を光変換する性質があり、青/緑色光変換型、緑/赤色光変換型、赤/緑色光変換型など多くの光受容体が同定されています。これらの多様な光受容体について、結合する色素の違いや光変換プロセスの違いにより、多様な光変換が実現されていることが明らかとなりつつありますが、その立体構造は長らく未知でした。

東京大学大学院総合文化研究科の成川礼助教(JST・さきがけ兼任研究者)、池内昌彦教授らはシアノバクテリオクロムAnPixJ(赤/緑色光変換型)とTePixJ(青/緑色光変換型)の光受容部位の立体構造をX線結晶構造解析によって、世界で初めて明らかにしました。この構造解析によって、シアノバクテリオクロムの光応答機構について理解が深まりました。今後、これらの構造情報を基に詳細な解析を進めることで、光応答機構の全容が解明され、分子デザインを進めることで、光合成による物質生産を効率的に行うための細胞制御研究などの展開が期待されます。

4.発表内容:
光合成生物にとって光はエネルギーであり、それ故に光は最重要な情報といえ、光合成生物は高度な光応答機構を備えています。陸上植物では、フラビンという色素を結合して青色光を感知する光受容体と開環テトラピロール(注1)という色素を結合して、赤色光と遠赤色光を感知する光受容体が開花の時期や気孔の開閉など様々な光応答現象を制御しています。シアノバクテリアにおいては、上記の光受容体に加えて、シアノバクテリオクロムと呼ばれる新規光受容体群が紫外光から赤色光までの幅広い光を感知し、光依存的な細胞凝集、走光性(光に向かって動く性質)、光合成アンテナ色素(注2)の量比調節などの様々な光応答現象を制御しています。シアノバクテリオクロムは二つの光吸収型の間を可逆的に光変換する性質があり、青(紫)/緑色光変換型、紫/黄色光変換型、緑/赤色光変換型、赤/緑色光変換型など多くの光受容体が同定されています。シアノバクテリオクロムは、フィトクロム(注3)同様、開環テトラピロール色素を結合し、光変換過程で、C環とD環の間の二重結合の回転が共通に起こることが知られており、それらの異性化構造をZ型、E型と呼びます。これらの多様なシアノバクテリオクロムについて詳細な解析が進められて、結合する色素の違いや光変換プロセスの違いによって多様な光変換が実現されていることが明らかとなりつつありますが、立体構造は明らかにされておらず、色素とタンパク質がどのように相互作用をしているかについて直接的な知見は存在していませんでした。東

京大学大学院総合文化研究科成川礼助教(JST・さきがけ兼任研究者)、東京大学大学院総合文化研究科石塚量見博士、東京大学大学院総合文化研究科池内昌彦教授らは、大阪大学栗栖源嗣教授らとともに、X線結晶構造解析によって、赤色光と緑色光の間で光変換するAnPixJというタンパク質の光受容部位の赤色光吸収型(以下Pr型)と青色光と緑色光の間で光変換するTePixJというタンパク質の光受容部位の緑色光吸収型(以下Pg型)について、その立体構造を決定する事に成功し、色素とタンパク質の相互作用が直接的に明らかとなりました(図1)。

AnPixJのPr型はZ型のフィコシアノビリン(注4)を結合していたのに対し、TePixJのPg型はE型のフィコビオロビリン(注5)を結合していました。これらの色素種や異性化状態は先行研究の分光学的解析で示唆されていたものですが、今回、構造として明確化することができました。二つの構造はお互いによく似ており、さらに、フィトクロムの構造ともよく似ているものの、タンパク質と色素の相互作用の詳細は、それぞれで異なっていました。また、タンパク質は違うものの、Z型とE型の両方の構造を決定することができたため、それらを比較することでシアノバクテリオクロムの光変換機構について、推定することができました。シアノバクテリオクロム間で高度に保存されたアスパラギン酸残基の側鎖のカルボニル基が、Z型構造(AnPixJ Pr)においては、A、 B、 C環の窒素と水素結合を形成しているのに対し、E型構造(TePixJ Pg)においては、B、 C環の窒素と水分子を介して水素結合しつつ、回転したD環の窒素と水素結合を形成しています(図2)。これらのことから、シアノバクテリオクロムの光変換過程において、アスパラギン酸の相互作用相手がスイッチする可能性が示唆されました。今回決定した構造とフィトクロムの構造とを合わせることで、開環テトラピロール結合型光受容体の普遍性と多様性について理解が深まったといえます。

これらの構造をもとに、さらなる解析や新しい光受容体の解析を進めることで光感知機構の全容解明が期待されます。また、この構造を基盤とした分子デザインを進めていくことで、光によって細胞を制御する応用研究の展開が期待されます。実際、今回の成果をもとに、成川助教らは、光合成による物質生産を効率良く行うための光スイッチを開発しています。光合成生物を利用して、再生可能エネルギーとして利用できる物質を生産することは、とても重要な課題ですが、通常の培養では、細胞増殖と物質生産の両方にエネルギーが分散してしまいます。そこで、細胞増殖と物質生産を切り替えるための光スイッチを今回の構造をもとにデザインし、細胞を制御することで効率良く物質生産するための研究に着手しています。

なお、本研究成果は、JST戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)研究領域「藻類・水圏微生物の機能解明と制御によるバイオエネルギー創成のための基盤技術の創出」(研究総括:松永 是 東京農工大学 学長)における研究課題「多様な光スイッチの開発による細胞外多糖生産の光制御」の一環として行われました。


5.発表雑誌:
雑誌名:「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」論文タイトル:Structures of cyanobacteriochromes from phototaxis regulators AnPixJ and TePixJ reveal general and specific photoconversion mechanism
著者: Rei Narikawa, Takami Ishizuka, Norifumi Muraki, Tomoo Shiba, Genji Kurisu and Masahiko Ikeuchi

6.問い合わせ先:
東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻 助教/JSTさきがけ 兼任研究員
成川礼(なりかわ れい)
Tel: 03-5454-4375 Fax: 03-5454-4337,
E-mail: narikawa [at mark] bio.c.u-tokyo.ac.jp,
※表記のメールアドレスの [at mark] は@に置き換えてください。

7.用語解説:
(注1)開環テトラピロールは4つのピロール環が繋がった構造をしており、それぞれA-D環と呼ばれています。
(注2)光合成は通常、クロロフィルという色素が主に青色光と赤色光を吸収して、それらの光エネルギーを化学エネルギーに変換しています。多くの光合成生物では、反応中心のクロロフィルが吸収できない光を他の色素が吸収して、その光エネルギーを反応中心のクロロフィルに渡すことが知られています。これらの補助的な色素のことを光合成アンテナ色素と呼びます。シアノバクテリアでは、クロロフィルがあまり効率良く吸収することができない緑色光や橙色光を吸収するためのアンテナ色素として、開環テトラピロールを利用しています。
(注3)フィトクロムは植物やバクテリアなどで見つかっている、赤色光と遠赤色光の間で光変換する光受容体です。植物において、開花の時期など様々な光応答現象を制御していることが知られています。
(注4)フィコシアノビリンは開環テトラピロールの一種で、シアノバクテリアのアンテナタンパク質複合体フィコビリソームの主要色素です。
(注5)フィコビオロビリンは開環テトラピロールの一種で、フィコシアノビリンの異性体だが、A環とB環の間の二重結合がないため、フィコシアノビリンよりも短波長の光を吸収する色素です。


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図 1:  シアノバクテリオクロムAnPixJ Pr型(A)とTePixJ Pg型(B)の色素結合領域の構造。色素の詳細構造が下の挿入図に載っています。これらの構造から、AnPixJにはZ型のフィコシアノビリンが、TePixJにはE型のフィコビオロビリンがそれぞれ結合していることが分かります。


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図 2: 色素とアスパラギン酸残基との相互作用。Z型構造であるAnPixJでは、アスパラギン酸残基がA, B, C環の窒素と相互作用しているのに対し(A)、E型構造であるTePixJでは、アスパラギン酸残基がB, C環の窒素と水を介して相互作用しつつ、回転したD環の窒素と直接相互作用しています(B)。フィトクロムのZ型構造(C)とE型構造(D)も比較として載せています。こちらでも、異なった形ではありますが、アスパラギン酸残基の相互作用相手が変化していることが分かります。

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