緑藻型光合成に必要な大型集光アンテナ－光化学系Ｉ超複合体の構造・機能相関の解明

本研究課題は、緑藻の光化学系I(PSI)とその集光アンテナ(LHCI)の複合体構造をクライオ電子顕微鏡及び単粒子解析によって解き明かし、緑藻が持つ高い集光能力の仕組みを構造情報から理解することを目的としている。緑藻のPSIは、9種類のLHCI(LHCA1-9)からなる大型アンテナを持ち、植物のPSIが持つ4分子のLHCI(Lhca1-4)からなる小型アンテナと比較して、41%も多くのフォトンを集めることが出来る。しかし、アンテナが大型であるために、全てのLHCAを結合した安定な複合体を得ることは非常に困難とされていた。そこでまず、フェレドキシン(Fd)アフィニティーカラムクロマトグラフィーとAmphipolを組み合わせ、純度よく安定な複合体を精製する方法を確立した。そのサンプルを用いて良質の電子顕微鏡画像を得るため、緑藻PSI-LHCIに適した氷埋包条件(蛋白質濃度とバッファー組成)と氷の厚みを制御する濾紙への吸着時間を詳細に検討した。その後、画像データを取得し単粒子解析を行い緑藻PSI-LHCIの構造を6.9Aで決定することに成功した。この構造情報により、緑藻のPSIは9種類10分子のLHCAを結合しており、そのうち8分子はPsaF/J側に4分子＋4分子の二層構造を形成し、2分子はPsaGとPsaHの間に位置していることが明らかとなった。特に後者の2分子は植物には無いアンテナであることから解析を進め、lhca2変異体を用いた構造解析と安定同位体を用いた質量分析からこれらのアンテナはLHCA2とLHCA9であることを示した。さらに、lhca1変異体を用いて、LHCA1の結合位置を確定した。このように本研究では、緑藻型PSIの周囲に10分子のLHCAがどのように配置されているか、さらに植物にはない特殊な位置のアンテナがLHCA2及びLHCA9であることを明らかとした。

本研究課題は、緑藻の光化学系I(PSI)とその集光アンテナ(LHCI)の複合体構造をクライオ電子顕微鏡及び単粒子解析によって解き明かし、緑藻が持つ高い集光能力の仕組みを構造情報から理解することを目的としている。緑藻のPSIは、9種類のLHCI(LHCA1-9)からなる大型アンテナを持ち、植物のPSIが持つ4分子のLHCI(Lhca1-4)からなる小型アンテナと比較して、41%も多くのフォトンを集めることが出来る。しかし、アンテナが大型であるために、全てのLHCAを結合した安定な複合体を得ることは非常に困難とされていた。そこでまず、フェレドキシン(Fd)アフィニティーカラムクロマトグラフィーとAmphipolを組み合わせ、純度よく安定な複合体を精製する方法を確立した。そのサンプルを用いて良質の電子顕微鏡画像を得るため、緑藻PSI-LHCIに適した氷埋包条件(蛋白質濃度とバッファー組成)と氷の厚みを制御する濾紙への吸着時間を詳細に検討した。その後、画像データを取得し単粒子解析を行い緑藻PSI-LHCIの構造を6.9Aで決定することに成功した。この構造情報により、緑藻のPSIは9種類10分子のLHCAを結合しており、そのうち8分子はPsaF/J側に4分子＋4分子の二層構造を形成し、2分子はPsaGとPsaHの間に位置していることが明らかとなった。特に後者の2分子は植物には無いアンテナであることから解析を進め、lhca2変異体を用いた構造解析と安定同位体を用いた質量分析からこれらのアンテナはLHCA2とLHCA9であることを示した。さらに、lhca1変異体を用いて、LHCA1の結合位置を確定した。このように本研究では、緑藻型PSIの周囲に10分子のLHCAがどのように配置されているか、さらに植物にはない特殊な位置のアンテナがLHCA2及びLHCA9であることを明らかとした。