珪藻の光合成複合体の立体構造解析: タンパク質間相互作用の解明

珪藻の光合成複合体: タンパク質間相互作用の解明

静岡大学、岡山大学、京都大学の研究グループは、珪藻の光合成複合体であるPSI-FCPIの立体構造解析に成功しました。この研究成果は、2024年10月31日に、国際雑誌「eLife」に掲載されました。

珪藻は、光合成を行う単細胞藻類で、地球上の光合成の約20%を担っていると言われています。珪藻は、他の植物とは異なる独自の光合成システムを持ち、その中心的な役割を担うのがPSI-FCPIです。

PSI-FCPIは、光エネルギーを吸収し、それを化学エネルギーに変換する光化学系I（PSI）と、フコキサンチンやクロロフィルなどの色素を結合したタンパク質であるフコキサンチンクロロフィル結合タンパク質（FCP）から構成されています。

今回の研究では、珪藻の一種であるThalassiosira pseudonanaからPSI-FCPIを精製し、クライオ電子顕微鏡を用いてその立体構造を解析しました。その結果、PSI-FCPIは、PSI単量体と5個のFCPIサブユニットから構成されていることが明らかになりました。

さらに、研究グループは、得られたT. pseudonanaPSI-FCPI構造を、別の珪藻種であるChaetoceros gracilis由来のPSI-FCPI構造と比較しました。その結果、両者の構造は非常に類似しており、PSIとFCPの結合部位が保存されていることが明らかになりました。

また、FCPの分子系統解析から、4つのFCPグループが進化的に関連していることがわかりました。珪藻は、それぞれ40個以上のFCP遺伝子をゲノムに持っていますが、今回の研究により、FCPがPSIにどのように結合するのか、その選択的な結合メカニズムの一端が明らかになりました。

この研究成果は、珪藻の光合成メカニズムの理解を深め、バイオ燃料生産や地球温暖化対策など、持続可能な社会の実現に貢献すると期待されています。

研究のポイント

珪藻の光化学系Iフコキサンチンクロロフィル結合タンパク質超複合体（PSI-FCPI）の立体構造解析に成功しました。
珪藻Chaetoceros gracilis由来のPSI-FCPIと構造およびアミノ酸配列の比較、さらにはFCPの系統解析を行い、FCPIとその結合箇所の保存性を明らかにしました。
* 珪藻は四十数個のFCP遺伝子を有するため、FCPがどのようにPSIを認識し、決まった場所に結合するのか、その結合選択メカニズムの一端を解明しました。

研究概要

静岡大学農学部の長尾遼准教授の研究グループは、岡山大学の加藤公児准教授（特任）、沈建仁教授、京都大学の伊福健太郎教授らと共に、珪藻Thalassiosira pseudonana（以下、T. pseudonana）から光化学系I（PSI）とフコキサンチンクロロフィル結合タンパク質（FCP）の超複合体（PSI-FCPI）を精製し、その構造をクライオ電子顕微鏡による単粒子構造解析で明らかにしました。

構造解析の結果、PSI-FCPIはPSI単量体と5個のFCPIサブユニットから構成されていました。得られたT. pseudonanaPSI-FCPI構造を珪藻Chaetoceros gracilisPSI-FCPI構造と比較したところ、それぞれで結合箇所が保存されていました。さらに、FCPの分子系統解析の結果、4つのFCPにオーソログ関係があることを見出しました。

T. pseudonanaには44個、C. gracilisには46個のFCP遺伝子がそれぞれゲノムにあります。T. pseudonanaの場合、そのうちの4個と特殊なタンパク質であるRedCAPがPSIに結合していることになります。44個のFCPはお互いに相同性がある程度高く、また、タンパク質構造が類似しています。FCPが何を認識してPSIの決まった場所に結合するのか、二種類の珪藻のPSI-FCPIを比較することで初めて明らかになりました。本研究で得られた研究成果は、FCPの進化を理解するうえで重要な知見となります。

論文情報

論文タイトル: Structural basis for molecular assembly of fucoxanthin chlorophyll a/c-binding proteins in a diatom photosystem I supercomplex
著者: Koji Kato, Yoshiki Nakajima, Jian Xing, Minoru Kumazawa, Haruya Ogawa, Jian-Ren Shen, Kentaro Ifuku, Ryo Nagao
DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.99858.3
URL: https://elifesciences.org/articles/99858