紅藻Cyanidium caldariumのPSI-LHCI超複合体の立体構造とLHCの分子進化の解明

静岡大学
岡山大学
理化学研究所
東北大学
京都大学
豊橋技術科学大学

【研究のポイント】

クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子構造解析により、酸素発生型光合成を行う紅藻Cyanidium caldarium（以下、C. caldarium）の光化学系I（PSI）と集光性色素タンパク質（LHC）から構成されるPSI-LHCI超複合体の立体構造を解明しました。
C. caldarium PSI-LHCIはPSI単量体に5個のLHCIサブユニットが結合した分子構造であることを明らかにしました。
PSI-LHCIの構造解析に基づいたLHCIタンパク質の分子系統解析により、紅藻を起点とする紅色進化系統におけるLHCIの進化モデルを提案しました。

【研究概要】
　静岡大学の長尾遼准教授、岡山大学の加藤公児特任准教授、沈建仁教授、理化学研究所・東北大学の米倉功治グループディレクター・教授、濵口祐准教授、京都大学の熊沢穣博士課程生、伊福健太郎教授の研究グループは、理化学研究所の堂前直ユニットリーダー、豊橋技術科学大学の広瀬侑准教授らと共に、クライオ電子顕微鏡（日本電子社 CRYO ARM 300）を用いた単粒子構造解析により、紅藻C. caldarium由来のPSI-LHCIの立体構造を1.92 Åの分解能で解明しました。得られたPSI-LHCI構造には、PSI単量体に5個のLHCIが結合していました。また、C. caldariumを含むPSI-LHCIの立体構造が明らかとなっている紅色進化系統のLHCIに焦点を絞り、分子系統解析に基づくLHCIの進化モデルを提案しました。
　LHCの進化に関する研究は分子系統解析が主流ですが、この方法だけではどのLHCがPSIに結合するのかを特定することができません。本研究では、PSIに結合するLHCIを立体構造解析によって特定し、その特定されたLHCIのみに焦点を当てた分子系統解析を行いました。このアプローチにより、紅色進化系統のLHCIの分子進化について、これまでにない角度からの理解が可能になりました。このように、立体構造解析と分子系統解析を組み合わせることにより、LHCIの進化に関する研究に新たな潮流が生まれることが期待されます。
　本研究成果は、2024年3月5日に、Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of Americaに掲載されました。

研究者コメント
静岡大学農学部　准教授・長尾遼（ながおりょう）
　本研究では、それぞれのグループの専門的な知識や技術を融合することにより、LHCの進化に迫る新たな研究の方向性を示すことができました。今後も本研究基盤を利用することにより、LHCの進化を探求していきたいです。

【論文情報】
掲載誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
論文タイトル: The structure of PSI-LHCI from Cyanidium caldarium provides evolutionary insights into conservation and diversity of red-lineage LHCs
著者: Koji Kato, Tasuku Hamaguchi, Minoru Kumazawa, Yoshiki Nakajima, Kentaro Ifuku, Shunsuke Hirooka, Yuu Hirose, Shin-ya Miyagishima, Takehiro Suzuki, Keisuke Kawakami, Naoshi Dohmae, Koji Yonekura, Jian-Ren Shen, Ryo Nagao
DOI: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2319658121

＜詳しい研究内容について＞
紅藻Cyanidium caldariumのPSI-LHCI超複合体の立体構造とLHCの分子進化の解明

【問い合わせ先】
(研究に関すること)
静岡大学農学部
准教授・長尾遼（ながおりょう）
TEL : 054-238-4251
WEBサイトやSNSのまとめ（QRコード）: https://linktr.ee/ryonag

理化学研究所
　放射光科学研究センター
　グループディレクター・米倉功治（よねくらこうじ）
　（東北大学多元物質科学研究所教授）

岡山大学異分野基礎科学研究所
教授・沈建仁（しんけんじん）

(報道に関すること)
静岡大学広報・基金課
TEL : 054-238-5179

岡山大学総務・企画部広報課
TEL : 086-251-7292

理化学研究所広報室報道担当
TEL : 050-3495-0247

東北大学多元物質科学研究所広報情報室
TEL : 022-217-5198

京都大学渉外部広報課国際広報室
TEL : 075-753-5729

豊橋技術科学大学　総務課広報係
TEL : 0532-44-6506