クロロフィル生合成における二つのニトロゲナーゼ類似酵素からみた光合成の進化

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(バクテリオ)クロロフィル生合成系の後期過程には、ニトロゲナーゼに類似しだ2つの酵素、暗所作動型プロトクロロフィリド還元酵素(DPOR)とクロロフィリドa還元酵素(COR)が存在し、各々ポルフィリンのD環、B環を立体特異的に還元することにより、(バクテリオ)クロロフィルの光学特性を決定づけている。本研究ではDPORと基質プロトクロロフィジドの共結晶化を行ない、得られた立体構造情報に基づき、DPORによるクロリン環形成反応機構、特にD環の炭素間二重結合の立体特異的還元(トランス還元)機構の解明を試みた。その結果、DPORの活性中心を構成するアスパラギン酸残基D274と、基質自身のプロピオン酸が、D環の炭素原子C17とC18へとプロトンを供与することで立体特異的な還元反応が行なわれることが強く示唆された。植物を含む多くの光合成生物においては、LPOR(光依存型プロトクロロフィリド還元酵素)がDPORと同じ反応を触媒することが知られている。LPORによる反応では、基質結合部位を形成するチロシン残基と補酵素NADPHがC17、C18へのプロトン供与に関わることが示唆されているが、どうやって立体特異的に付加するのかは明らかにされてこなかった。その理由の1つには、LPORの結晶化の報告が無く、トランス還元機構を解明する手掛かりが得られていなかったことが挙げられる。今回、私達はDPORの立体構造を手掛かりに、クロリン環形成反応を明らかにした。それは基質自身のプロトンを利用するという、非常にユニークな反応機構であった。クロロフィル合成系においてこのような反応機構を有する酵素の例は、これまで報告が無い。本研究で得られた知見は、光合成生物がクロロフィルの光学特性をどのように決定しているのかを理解する上で重要な手掛かりを与えるものである。