岡山大ら,光合成反応の光損傷と修復メカニズム解明

岡山大学,摂南大学,東京大学,中国科学院,仏国立科学研究センター,独ミュンスター大学は,光合成の明反応を担う分子サイズの装置「光化学系II」の機能維持に重要である光化学系II修復が,どのように引き起こされるかの分子メカニズムを明らかにした(ニュースリリース)。

光合成には光が必要だが,光は同時に活性酸素を生じ,光合成装置の光化学系IIの部品であるタンパク質がダメージを受けてしまう。機能が低下したタンパク質をすばやく除去し,修復することは光合成の効率を保つために必要不可欠。

研究グループは,斑入り葉の研究から光合成装置の傷ついたタンパク質を選択的に分解するタンパク質分解酵素FtsHを見つけ出し,これまで研究を続けてきた。

FtsHは,強光などにより傷ついたD1タンパク質の分解に重要な役割を果たすことは知られていたが,どのように傷ついたD1タンパク質を見分けているかは未解明だった。

D1タンパク質は光合成装置である光化学系IIのなかで,明反応の中心的な役割を担っており,その反応の結果として活性酸素が生じることがわかっていた。また,一般に活性酸素はタンパク質を酸化させることでダメージを与えることもわかっていた。

これらのことから活性酸素の発生場所であるD1タンパク質が真っ先に損傷するのは活性酸素による酸化と推測できる。そこで研究グループは,物質のわずかな質量の違いを測定する最新の質量分析器の解析を利用して,光化学系IIの部品タンパク質に生じるアミノ酸の酸化を検出した。

その結果,D1タンパク質では2カ所に,ほかの部品タンパク質でも,アミノ酸に不可逆的な酸化が生じていることが見出された。この不可逆的なアミノ酸の酸化が傷ついたタンパク質としての目印になると考え,それを確かめる実験をした。

複数の部品タンパク質で観測されたアミノ酸の酸化を模して,酸化した場合と似た構造になるように変異を導入した部品タンパク質を4種類つくり,タンパク質分解酵素FtsHと反応させた。その結果,D1タンパク質の特定の1カ所のアミノ酸が酸化されたものだけが強光下ですばやく分解されることが確かめられた。

また,不可逆的なアミノ酸酸化により引き起こされるD1タンパク質末端の構造変化を,タンパク質分解酵素FtsHが捉え,傷ついたタンパク質を見分けていることが明らかになった。

研究グループは,今回の研究を通し,植物のさらに効率的な修復機構をつくり出すことは,光合成効率を上げる技術へつながるとしている。

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