岡山大ら,光合成真核生物のPSI四量体構造を解明

岡山大学,神戸大学,理化学研究所は,クライオ電子顕微鏡を用いた灰色藻の光化学系I(PSI)四量体の立体構造解析に成功した(ニュースリリース)。

光化学系I(PSI)・光化学系II(PSII)と呼ばれる膜タンパク質複合体は光合成反応の中心であり,光エネルギーを有用な化学エネルギーへと変換する役割を担う。

PSI の特徴の一つとして,立体構造の多量体化が挙げられる。光合成原核生物であるシアノバクテリアのPSIは三量体もしくは四量体で機能している。一方,陸上植物や藻類のような光合成真核生物のPSIは単量体で機能することが知られている。

このような背景の中,灰色藻と呼ばれる光合成真核生物で多量体化したPSIの可能性が報告されていた。灰色藻はシアネルと呼ばれる原始的な葉緑体を持つことから,原始的な光合成真核生物として考えられている。

もし光合成生物がシアノバクテリア→灰色藻→藻類や陸上植物へと進化したのであれば,灰色藻のPSIは多量体構造をとるのか,それとも単量体構造をとるのか,これまで灰色藻PSIの立体構造解析の報告が無いことから不明だった。

研究グループは,灰色藻 Cyanophora paradoxa(シアノフォラ)から光化学系Iを単離し,その立体構造をクライオ電子顕微鏡単粒子構造解析により明らかにした。立体構造解析の結果,シアノフォラPSIは四量体を構成することが判明した。

シアノフォラPSIは,PSIの二量体が二つ結合し,四量体を形成していた。この四量体構造は,PsaLおよびPsaKとよばれるサブユニットが他の光合成生物と異なる構造に由来することを見出した。シアノバクテリアのPSI四量体と比較すると,単量体間の結合様式が異なった。

また,時間分解蛍光分光法により励起エネルギー伝達について解析した結果,シアノフォラPSI四量体とシアノバクテリアPSI四量体とでは励起エネルギー伝達に明確な差異が現れた。

このように,研究では真核光合成生物の中でより原始的な位置づけにあるシアノフォラのPSIの立体構造を明らかにした。PSIの立体構造だけに着目すれば,シアノフォラは光合成原核生物であるシアノバクテリアと光合成真核生物の中間に位置づけられるのかもしれないという。

今回解明されたPSI構造は,これまでに報告されたPSIの立体構造と異なるため,研究グループは,太陽光エネルギーの成分を利用した電気エネルギーへの変換に必要な多様となる分子配置の設計に,新たな指針を提供することが期待されるとしている。

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