光合成生物のレドックス制御系はin situでどのように働くのか

光合生物的氧化还原控制系统如何在原位发挥作用？

基本信息

批准号：
21H02502
负责人：
久堀徹
金额：
$ 11.15万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、光合成生物が、環境条件の変化に対して光合成反応を巧みにコントロールすることで「レドックス恒常性」を維持するレドックス制御システムの包括的な理解を目指している。レドックス制御システムは、光合成電子伝達系から供給される還元力を利用して特定のタンパク質のシステイン残基（Cys）の酸化還元状態を制御し代謝調節を行っている。これまでの研究でその全体像は明らかになりつつあるが、いまだにin vitro研究とin vivo研究の結果が、必ずしも一致しない。その主な原因は、in vitroの生化学的解析が生体内の酸化還元物質の影響を考慮していないこと、および、酸化還元状態変化以外のCysのチオール基の修飾がほとんど調べられていないことによる。本研究では、レドックス制御系の電子の流れと鍵となるCysチオール基の状態変化を、生体内を模した条件下で系統的に調べ、レドックス制御系がin situでどのように働くのかを総合的に理解することを目指した。研究初年度は、生体内の重要な酸化還元物質であるグルタチオンの影響を調べたが、レドックス制御システムと被制御タンパク質の相互作用に対する影響を明確に示す結果は得られなかった。そこで、当研究室で酸化因子であることを同定したタンパク質の生理的な働きの解析に注力し、レドックス制御システムの標的タンパク質の暗所での酸化に働く酸化因子に標的特異性があること、酸化因子のうち、ACHTが過剰な光エネルギーの散逸システムであるNPQに密接にかかわること、この制御システムの還元側と酸化側のバランスが植物の代謝の維持に重要であることを見出した。また、還元側の特異性の決定因子を明らかにするため、標的タンパク質の葉緑体内の局在性を人為的に操作し、還元効率の変化を調べた。

本研究旨在全面了解光合生物通过巧妙地控制光合反应以响应环境条件的变化来维持“氧化还原稳态”的氧化还原控制系统。氧化还原控制系统利用光合电子传递系统提供的还原力来控制特定蛋白质中半胱氨酸残基（Cys）的氧化还原状态，从而调节代谢。尽管迄今为止的研究已经开始阐明总体情况，但体外和体内研究的结果仍然不一定相符。其主要原因是体外生化分析没有考虑体内氧化还原物质的影响，并且几乎没有研究除氧化还原状态的变化之外的Cys硫醇基团的修饰。在本研究中，我们系统地研究了氧化还原控制系统中的电子流动以及模拟体内条件下关键Cys硫醇基团的状态变化，全面研究了氧化还原控制系统如何在原位发挥作用。在我们研究的第一年，我们研究了谷胱甘肽（生物体中一种重要的氧化还原物质）的影响，但没有获得明确显示其对氧化还原控制系统和调节蛋白之间相互作用的影响的结果。因此，我们重点分析了我们实验室鉴定为氧化因子的蛋白质的生理功能，在氧化因子中，我们发现ACHT与NPQ（一种耗散多余光能的系统）密切相关，并且与NPQ之间的平衡密切相关。该控制系统的还原侧和氧化侧对于维持植物新陈代谢非常重要。此外，为了阐明还原特异性的决定因素，我们人为地操纵叶绿体内靶蛋白的定位，并检查还原效率的变化。