ポイント
- シアノバクテリオクロムと呼ばれる光センサーは、これまで、フィコシアノビリン結合型とフィコビオロビリン結合型しか見つかっていなかった。
- 本研究では、アカリオクロリスというユニークなシアノバクテリアの光センサーが、フィコシアノビリンだけでなく、ビリベルジンも結合する能力があることを世界で初めて発見し、ビリベルジンを結合した光センサーは遠赤色光と橙色光の間で光変換した。
- この光センサーの遠赤色光吸収型は、遠赤色光照射により、蛍光を発した。
- 本成果を基にさらに研究を進めることで、光合成生物や動物細胞において利用可能な光スイッチ・蛍光プローブの開発が期待される。
静岡大学の成川 礼 講師ら研究グループは、遠赤色光を吸収して光変換する新規の光センサータンパク質を発見し、遠赤色光照射により蛍光を発することも見いだしました。
植物や藻類、シアノバクテリア注１）などの光合成をする生物は、光をエネルギーとして利用し、それ故に最重要な情報としても感知するため、高度な光応答機構を備えています。中でも、シアノバクテリオクロム注２）と総称される光センサーが、シアノバクテリアにおいて多様な光を感知し、走光性・光依存的な細胞凝集などの現象を制御していることが知られています。シアノバクテリオクロムは、フィコシアノビリン注３）という色素を結合するタイプとフィコビオロビリン注３）という色素を結合するタイプが知られていますが、それらの色素よりも長波長の光を吸収するビリベルジン注３）という色素を結合するシアノバクテリオクロムはこれまでに一切報告されていませんでした。
成川講師らは、通常の酸素発生型光合成生物が持つクロロフィルａ 注４）の代わりにそれよりも長波長の遠赤色光を吸収するクロロフィルｄ 注４）を光合成色素として持つアカリオクロリス注５）というシアノノバクテリアから、フィコシアノビリンだけでなく、ビリベルジンも高効率で結合するシアノバクテリオクロム・ＡＭ１＿１５５７ｇ２を発見しました。
今回の発見は、ビリベルジンを結合して遠赤色光に応答するＡＭ１＿１５５７ｇ２が、アカリオクロリスの光感知において、生理的機能を持っている可能性を示唆します。さらに、遠赤色光に応答し光変換する性質や、それよりも長波長の蛍光を発する性質は、光で細胞を制御するオプトジェネティクスや、細胞内の分子動態を可視化する蛍光イメージングなどの技術に将来的に資する可能性を秘めています。
本研究は、東京大学の池内 昌彦 教授、佐藤 守俊 准教授らと共同で行ったものです。
本研究成果は、オンラインのＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ誌にて、２０１５年１月２２日午前１０時（英国時間）に公開される予定です。
本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題などによって得られました。
戦略的創造研究推進事業 個人型研究（さきがけ）
| 研究領域 |
「藻類・水圏微生物の機能解明と制御によるバイオエネルギー創成のための基盤技術の創出」
（研究総括：松永 是 東京農工大学 学長） |
| 研究課題名 |
「多様な光スイッチ開発による細胞外多糖生産の光制御」 |
| 研究者 |
成川 礼（静岡大学 大学院理学研究科 生物科学専攻 講師） |
| 研究期間 |
平成２３年１０月～平成２７年３月 |
ＪＳＴはこの領域で、藻類・水圏微生物には、高い脂質・糖類蓄積能力や多様な炭化水素の産生能力、高い増殖能力を持つものがあることに着目し、これらのポテンシャルを活かした、バイオエネルギー創成のための革新的な基盤技術の創出を目指しています。
科学研究費若手研究（Ａ）
| 研究分野 |
ケミカルバイオロジー |
| 研究課題名 |
「組織レベルのイメージングと光遺伝学に向けた遠赤色光プローブ／スイッチ開発」 |
| 研究者 |
成川 礼（静岡大学 大学院理学研究科 生物科学専攻 講師） |
| 研究期間 |
平成２６年４月～平成２９年３月 |
＜研究の背景と経緯＞
植物や藻類などの光合成を行う生物は、光をエネルギーとして利用しており、それ故に、光を最重要な情報としても認識するために、高度な光応答機構を備えています。中でも、植物同様の酸素発生型光合成を行うシアノバクテリアでは、光感知機構について詳細な研究が進められています。シアノバクテリアにおいては、シアノバクテリオクロム（ＣＢＣＲ）と呼ばれる光センサー群が、光の感知に重要な役割を果たしています。ＣＢＣＲは、植物の赤色光と遠赤色光の量比を感知する光センサー・フィトクロムと相同性がありながら、青・緑色光センサー、赤・青色光センサー、赤・緑色光センサーなど、幅広い光質（光の色）を感知する多様な光センサーの存在が知られています。フィトクロムやＣＢＣＲは、開環テトラピロールという色素を共有結合します。開環テトラピロールは、動物の血液にも存在する閉環テトラピロール・ヘムの閉環構造が開裂した色素の総称であり、異なる光質を吸収する多様な色素が知られています。フィトクロムにおいては、生物種によって、フィトクロモビリン（植物）、フィコシアノビリン（ＰＣＢ、シアノバクテリア）、ビリベルジン（ＢＶ、非光合成バクテリア）の三種類の色素が結合することが知られています（図１）。一方、ＣＢＣＲに関しては、ＰＣＢを結合するものとフィコビオロビリン（ＰＶＢ）を結合するものが知られています。ＰＣＢはＰＶＢよりも長波長の光を吸収するため、ＰＣＢ結合型ＣＢＣＲは青～赤色の比較的長波長の光を感知するのに対し、ＰＶＢ結合型ＣＢＣＲは紫外～緑色の短波長の光を感知します。これまで知られている天然の開環テトラピロール色素では、ＢＶが最も長波長の光を吸収するため、バクテリア由来のフィトクロムが最も長波長の光を感知するセンサーとして知られていました。一方、ＣＢＣＲにおいては、ＢＶを結合するタイプのものはこれまで全く報告されていませんでした。
シアノバクテリアは、地球上で初めて酸素発生型光合成を行ったと考えられており、現在も、世界中のあらゆる環境に生育しています。その生育環境の多様性に対応するように、そのゲノム配列も質・量ともに非常に多様化しています。現在までに、７０種以上のシアノバクテリアのゲノム配列が解析されています。これらのゲノム配列中には、ＣＢＣＲをコードする遺伝子が多数発見されています。我々は、多様なシアノバクテリアの中でも、Ａｃａｒｙｏｃｈｌｏｒｉｓ ｍａｒｉｎａ（アカリオクロリス）という特異なシアノバクテリアに注目しました。酸素発生型光合成を行う生物のほとんどが、光合成の反応中心色素として、６７５ｎｍ付近の光を吸収するクロロフィルａ を有するのに対し、アカリオクロリスは、クロロフィルａ の代わりに、７１０ｎｍ付近の光を吸収するクロロフィルｄ を有します。我々は、光合成に利用する光の波長が長波長シフトしているため、アカリオクロリスにおいては、感知する光の波長も長波長シフトしている可能性を考えました。中でも、フィコシアノビリンを結合し、赤色光と緑色光の間で光変換するＲ／Ｇタイプと呼ばれるＣＢＣＲは、その結晶構造も明らかとなっているため（Ｎａｒｉｋａｗａ ｅｔ ａｌ．２０１３ Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．Ｕ． Ｓ．Ａ．）、このＲ／ＧタイプＣＢＣＲに着目し、ＰＣＢだけでなく、それよりも長波長の光を吸収するＢＶも結合できるかどうかを調べることを計画しました。
＜研究の内容＞
本研究では、アカリオクロリスのゲノム配列から、Ｒ／ＧタイプＣＢＣＲを探索し、候補遺伝子・ＡＭ１＿１５５７を見いだしました。このＡＭ１＿１５５７の推定色素結合領域（ＡＭ１＿１５５７ｇ２）に相当するタンパク質を、ＰＣＢを産生する大腸菌とＢＶを産生する大腸菌でそれぞれ発現し、そのタンパク質を精製しました。ＰＣＢ産生大腸菌から精製したタンパク質は、ＰＣＢを共有結合して赤色光と緑色光の間で可逆的に光変換しました（図２左）。この結果は、これまでのＲ／ＧタイプＣＢＣＲの結果とよく似ています。一方、ＢＶ産生大腸菌からもＢＶを共有結合したタンパク質が得られ、そのタンパク質は遠赤色光と橙色光の間で可逆的に光変換しました（図２右）。ＢＶを効率よく結合するＣＢＣＲに関しては、これまで全く報告がなく、世界初の発見といえます。ＰＣＢと共有結合していると考えられるシステイン残基をアラニン残基に置換することで、ＢＶとの結合能が完全に失われたので、ＢＶとの共有結合にもＰＣＢの場合と同じシステイン残基が寄与していることが明らかとなりました。
このＢＶ結合型ＡＭ１＿１５５７ｇ２タンパク質の遠赤色光吸収型は、遠赤色光照射により７３０ｎｍをピークとする蛍光を発しました（図３）。また、光変換することで、遠赤色光吸収型からの蛍光が増減する様子が、実体顕微鏡観察により確認できました。
＜今後の展開＞
本研究では、長波長である遠赤色光を感知するＢＶ結合型ＣＢＣＲであるＡＭ１＿１５５７ｇ２を同定しました。ＡＭ１＿１５５７ｇ２は、遠赤色光を用いて光合成を行うアカリオクロリス由来であるので、アカリオクロリスが遠赤色光で効率よく光合成を行うために働いている光センサーである可能性が期待されます。今後は、アカリオクロリスにおける生理的な機能を解明していきたいと考えています。また、クロロフィルａ を用いて光合成を行う生物においては、遠赤色光はあまり光合成に用いられない光であるため、ＡＭ１＿１５５７ｇ２を光合成生物における光制御に利用することで、光合成の生産性をあまり下げることなく、制御が可能であると期待しています。現在、光合成による物質生産を制御するスイッチタンパク質としての開発を進めています。また、遠赤色光は動物組織においてもあまり吸収されないタンパク質であるため、動物の組織の奥深くの細胞を光で制御するためにも、ＡＭ１＿１５５７ｇ２は有用であると期待できます。さらに、遠赤色光吸収型は、７３０ｎｍをピークとする蛍光を発しますので、遠赤色光の蛍光プローブとしても開発可能です。野生型のＡＭ１＿１５５７ｇ２では、蛍光の量子収率が低いため、色素近傍のアミノ酸残基に変異を入れて量子収率の上がる変異体を取得し、蛍光プローブとして実用可能なタンパク質の開発を目指していく予定です。
＜参考図＞
図１
フィコシアノビリン（ＰＣＢ、左）とビリベルジン（ＢＶ、右）の化学構造。赤丸で示した構造が両者で異なる。ＢＶの方が二重結合の数が多く、そのためにより長波長の光を吸収する構造となっている。
図２
ＰＣＢ結合型ＡＭ１＿１５５７ｇ２（左）とＢＶ結合型ＡＭ１＿１５５７ｇ２（右）の光変換に伴う色変化。ＰＣＢ結合型は、青色を呈する赤色光吸収型とピンク色を呈する緑色光吸収型の間で可逆的に光変換する。一方、ＢＶ結合型は、緑色を呈する遠赤色光吸収型と青色を呈する橙色光吸収型の間で可逆的に光変換する。
図３
ＢＶ結合型ＡＭ１＿１５５７ｇ２の遠赤色光吸収型は、７３０ｎｍをピークとする蛍光を発する。左は、ＢＶ結合型ＡＭ１＿１５５７ｇ２の遠赤色光吸収型の蛍光スペクトルを示す。７３０ｎｍをピーク波長とした蛍光を発していることが分かる。右は、タンパク質溶液を直接観察した写真（上）とタンパク質溶液から発せられた蛍光を直接顕微鏡で観察した写真（下）である。ＢＶ色素のみの場合、蛍光は検出されないが、ＢＶとタンパク質の複合体では、蛍光が検出されるのが分かる。
＜用語解説＞
- 注１） シアノバクテリア
- 植物や藻類と同じ酸素発生型光合成を行うバクテリア。葉緑体と共通の起源を持つと考えられている。
- 注２） シアノバクテリオクロム
- 現在までのところ、シアノバクテリアのみから発見されている光センサー。植物で発芽などを制御する赤色光と遠赤色光の両比を感知する光センサーであるフィトクロムと似て非なる構造をしている。シアノバクテリオクロムは、フィトクロムと異なり、幅広い色の光を感知する多様な光センサーが同定されている。
- 注３） フィコシアノビリン、フィコビオロビリン、ビリベルジン
- これらは全て、開環テトラピロールと総称される色素である。閉環テトラピロールであるヘムの閉環構造が開裂し、さらに多様な酵素によってそれぞれの色素が産生される。色素毎に吸収する光の波長が異なり、ビリベルジン、フィコシアノビリン、フィコビオロビリンの順番で、長波長から短波長へと吸収する光の波長が推移する。
- 注４） クロロフィルａ 、クロロフィルｄ
- ともに光合成に用いられる色素であり、閉環テトラピロールにフィトール鎖が結合した構造を持つ。クロロフィルａ は６７５ｎｍ付近を吸収するのに対し、クロロフィルｄ は７１０ｎｍ付近を吸収する。
- 注５） アカリオクロリス
- シアノバクテリアの一種。学名はＡｃａｒｙｏｃｈｌｏｒｉｓ ｍａｒｉｎａ。クロロフィルａ の代わりにクロロフィルｄ を持つ特異なシアノバクテリアである。
＜論文タイトル＞
“A biliverdin-binding cyanobacteriochrome from the chlorophyll d -bearing cyanobacterium Acaryochloris marina ”
（クロロフィルｄ を有するシアノバクテリアＡｃａｒｙｏｃｈｌｏｒｉｓ ｍａｒｉｎａ から見いだされたビリベルジンを結合するシアノバクテリオクロム）
doi: 10.1038/srep07950
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
成川 礼（ナリカワ レイ）
静岡大学 大学院理学研究科 生物科学専攻 講師
〒422-8529 静岡県静岡市駿河区大谷８３６
Tel：054-238-4783 Fax：054-238-0986
E-mail：
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
松尾 浩司（マツオ コウジ）、古川 雅士(フルカワ マサシ)、松丸 健一（マツマル ケンイチ）
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
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＜報道担当＞
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秋山 和廣（アキヤマ カズヒロ）
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