Origin of photosynthetic oxygen evolution on ancient Earth

古代地球光合作用氧气演化的起源

基本信息

批准号：
22K19270
负责人：
野口巧
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

我々はシアノバクテリアの光化学系Ⅱタンパク質において、酸素発生の触媒部位であるマンガンクラスターの配位子（アスパラギン酸D1-D170）のヒスチジン変異体(D1-D170H)を作製すると、アミノ酸変換を起こして本来のアスパラギン酸に戻り、酸素発生が回復する現象を既に見出していた。このアミノ酸変換が、DNAあるいはRNAレベルではなく、翻訳後にタンパク質レベルで起こることを、13C同位体置換ヒスチジンを導入した光化学系Ⅱ試料の赤外分光および液体クロマトグラフ質量分析に解析によって証明した。また、他のカルボキシレート配位子であるD1-E189およびD1-D342を、アミド基を持つアミノ酸（E189Q, D432N）に変換した場合でも翻訳後アミノ酸変換が起こって本来のアミノ酸に戻ること、そして、炭素鎖の短いアラニンへの変異体ではアミノ酸変換が起こらないことを明らかにした。これらのことから、このアミノ酸変換は光化学系Ⅱの酸素発生系に一般的な現象であり、十分な炭化水素鎖を持つアミノ酸がアスパラギン酸またはグルタミン酸に変換されて酸素発生系を形成されることが示された。これらのアミノ酸変換は、光を用いたマンガンクラスターの構築過程（光活性化）において生成する活性酸素による酸化、あるいはアミド基の加水分解によって行われると推測した。こうした光化学系Ⅱの翻訳後アミノ酸変換現象の発見に基づき、30億年以上前の太古の地球において、配位子系が未完成の祖先型光化学系Ⅱで翻訳後アミノ酸変換が起こり、カルボキシル配位子が生成して始原的なマンガンクラスターが形成され、最初の酸素発生が行われた、との独自の仮説を初めて提唱した（Shimada et al., Nature Commum. 2022）。

当我们在蓝藻光系统 II 蛋白中创建锰簇配体（天冬氨酸 D1-D170）（天冬氨酸 D1-D170）的组氨酸突变体（D1-D170H）（这是氧析出的催化位点）时，发生了氨基酸转换，并且最初已经发现了通过返回天冬氨酸来恢复氧气产生的现象。通过分析引入了 13C 同位素取代组氨酸的光系统 II 样品的红外光谱和液相色谱质谱，我们证明了这种氨基酸转化发生在翻译后的蛋白质水平，而不是 DNA 或 RNA 水平。此外，即使当其他羧酸配体D1-E189和D1-D342转化为具有酰胺基团的氨基酸（E189Q、D432N）时，也会发生翻译后氨基酸转化并返回到原始氨基酸；在具有短碳链的丙氨酸突变体中不会发生这种情况。从这些事实来看，这种氨基酸转化是光系统II的氧气生成系统中的常见现象，并且具有足够烃链的氨基酸被转化为天冬氨酸或谷氨酸以形成氧气生成系统。我们推测这些氨基酸转化是通过光（光活化）构建锰簇过程中产生的活性氧的氧化或酰胺基团的水解来进行的。基于光系统II翻译后氨基酸转换现象的发现，我们发现在30亿多年前的古代地球上，祖先光系统II就发生了翻译后氨基酸转换，那里的配体系统并不完整，我们是第一个提出原始假设的人，即通过后代的产生形成了原始锰簇，并发生了第一代氧气（Shimada et al., Nature Commum. 2022）。