博 士 （ 生 命 科 学 ） 得 津 隆太 郎
学 位論文 題名Functiona
lanalysi
soflight harvesti
ng complexesinphotosy
nthetic algae（光合成緑藻における集光色素アンテナタンノヾク質の機能的解析）

学位論文内 容の要旨

AII photosynthetic plants and algae with primary plastid can be coordinated in the Plantae kingdom,
implying that they evolved from a common ancestor cyanobacteria. This evolution events has been
predicted as occurred about more than l.5 billion years ago. Following the events,.photosynthesis
spread among different eukaryotic kingdoms via secondary endosymbiosis, most commonly as a hostinvolved a red or green alga. In photosynthesis, the initial conversion of solar energy to biochemical
redox energy in photosynthetic eukaryotes is performed by the linked photosystems (PSI and PSII,respectively). These photosystems are large pigment‑protein supercomplexes embedded in thethylakoid membrane. The PSII supercomplex splits water into four electrons, four protons anddioxygen, the primary electron acceptor for all aerobic organisms on this planet. PSII uses several lightharvesting complex proteins (LHCII) to enhance the absorption of light energy and its subsequenttransfer to the PSII reaction center. In nature, unexpectable changes in light intensity and quality will
easily lead to an overexciting of either photosystems, which results in accumulation of harmful reactive
oxygen spices through oxidative stress. However, unlike animals, most of plants and photosynthetic
algae cannot move away from an endangering environment including light conditions. Therefore,
plants and algae have developed the photo‑protection mechanisms termed non‑photochemical
quenching (NPQ) that either dissipate or fine‑tune an excess light energy to cope with the physicalenvironment.
In chapter l and 2, I investigated about one of the NPQ called state transitions. State transitions
are the remodeling of photosynthetic supercomplexes through lateral migration of LHCII. To keep
optimal photosynthetic rate under variable light conditions, excitation levels of the two photosystems
are balanced via redistribution of LHCII. It has been known that LHCII phosphorylation.is required fora transition from State l, where mobile LHCIIs are associated with PSII, to State 2, where they areassociated with PSI. However, it still remains unclear which particular step in the LHCII migration
requires the phosphorylation and how the formation of PSI‑LHCI/II supercomplex is regulated. The
biochemical analysis and spectroscopic measurements of several mutants in these chapters clarifies that
phosphorylation of LHCII are only required for disassembly of PSII‑LHCII supercomplexes but not for
the formation of PSI‑LHCI/II supercomplexes during state 2 transition. Indeed, the results of the minor
LHCII RNAi mutants demonstrate that one of the minor LHCII CP29, not CP26, is crucial whenmobile LHClIs re‑associate with PSI under State 2 conditions. Thus, I propose the hypothesis that statetransitions are regulated through not only single but two different reactions in either photosystems.
In chapter 3, I have developed a method to purify PSII‑LHCII supercomplexes from theunicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii. PSII‑LHCII supercomplexes were isolated using
either of the two.detergents n‑dodecyl‑a‑D‑rnaltoside (a‑DM) or n‑dodecyi‑p‑D‑maltoside (fl‑DM).
The biochemical analysis shows that the PSII‑LHCII supercomplexes isolated with a‑DM bind more
LHCII proteins, and highly active and stable as compared to those isolated with p‑DM, which isconsistent with the molecular weight difference.
In chapter 4, I tried to investigate molecular me.chanisms of qE quenc.hing. The qE quenching is
the most fastest and rapidly reversible component in NPQ, which dissipates excess absorbed light− 1462―

energy as a harmless heat. Recently, LHCSR protein has been identified as a main component of qE inC. reinhardtii. Using the method established in chapter 3, the localization and molecular functions ofLHCSR protein have been clarified. Wild‑type strain exhibits the formation of PSH‑LHCII‑LHCSR
supercomplex in thylakoid membranes. In contrast, the mutants with a defect in stable formation ofPSII‑LHCII‑LHCSR supercomplexes show significant impairment of qE quenching acti'vity. Hence,
we concluded that a stable formation of the PSII‑LHCII‑LHCSR supercomplex may strongly
participate in high energy quenching in the green alga.
Finally, I discuss and summarize the evolution and the current opinions regarding the role ofLHCII in photo‑protections in the photosynthetic green alga. The section will present the concluding
remarks and possible future research directions in this field.

― 1463―

学 位論文審査の要旨
主査

教授

田中歩

副査

教授

山口淳二

副査

教授

皆川純 （ 総 合 研 究大 学 院大 学 ）学位論文題名Func
tionalanaly
sisoflig
htharv
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ingco
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sin
photosyntheticalgae（光合成緑藻における集光色素アンテナタンパク質の機能的解析）

光合成は全ての生命を持続させるエネルギーの源であり，その原理の追究は生命科学全体において常に最重要課題のーっとなっている．主要な電子伝達反応やプロトン輸送反応の詳細が明らかにされ，さらにそれら反応場であるタンパク質複合体の立体構造が決定された現在，待たれているのは，光合成反応がいかに調節を受けているか，いかに最適化されているか ，その仕組みの解明である．光合成は，直列に並ぶ2つの光化学系で太陽光を集め化学エネルギーへと変換する反応であるが，この反応を効率よく行うため，光化学系1と光化学系2の間で集光アンテナと呼ばれる一群のタンパク質をやりとりし，励起のバランスを取る仕組みが発達した．ステート遷移と呼ばれるこの機構は，代表的な光合成反応調節機構として知られてきたが，その分子基盤については，未だに不明の点が多い．本論文に記載された一連の研究は，こうした国内外の状況を鑑み，ステート遷移中に光化 学系1および光化学系2に何が起こるのか，その分子基盤を明らかにすることを目的と して行われた．
第一 部に記載された「クラミドモナ スL
HC
IIリン酸化欠損変異株 におけるステート遷移」 では，stt7と呼ばれるLHCIIリン酸化酵素が欠損した株における光化学系超複合体のス テート遷移における動態を生化学的に解析したところ， リン酸化されなかった
LH
CIIは光化学系2から脱離しなかったこと，しかし，光化学系 1には非リン酸化LHCIIが 結合 していることが確認された．こ の結果により，ステート遷移におけるLHCI
Iリン 酸化 は， 光 化学 系2から のLHCI
Iの 脱離 過程 に重 要で あり ，光化学系1への再結合
過 程に は不要であることが明らかにな った．これまで，不明であったLHCIIリン酸化の 役 割 を 初 めて 分 子 レ ベ ル で 明ら か に し た も の と評 価 で き る ．
第二 部に記載された「クラミドモナ スのマイナー単量体LHC
IIの ステート遷移における分 子機能」では，ステート遷移時に光化学系1に結合することが確認されている2
つ の 単 量体 LH
CII (
CP29
お よび CP26)の機 能を 調べ るた めに ，個 別に RN
Ai技 術を 用いてノ ックダウンし，そのステート遷移ヘ与える影響を解析し た．その結果，CP26を欠損し た株で通常のステート遷移が見られたのに対し，CP29を 欠損した株では，全ての 遊動 性LHCIIが 光化 学系 1は再 結合できないことがわかった，こ の結果は，遊動性ー 1464―

LH
CIIが光化 学系1へ再結 合する際 に，CP29が その結 合サイトとして機能していることを示唆しており，ステート遷移の分子機構解明における重要な知見であるとして，生化 学 の 一 般 誌 に 報 告 さ れ た u Biol. Chem. (2009) 284:7777ー 7782).
これまで ，PSII
コア 粒子やLHCII
サブュニット単独での精製法は確立されていたものの，生体内では結合しているこの両者を無傷の結合状態で単離する方法は知られていなかった ．第三部である「安定な巨大PSII‑LHCII
超複合体のクラミドモナスからの単離」では，ステート遷移の分子機構を解明する上で避けては通れないこの困難な課題に界面活性剤の適用条件を工夫することで挑み，見事に達成したものである．本研究により，緑藻 にも高等植物に存在するものと同等のC2S
2M2L2タイプのPS
II‑LHCI
I超複合体が存在することが示された．本技術は，今後のステート遷移研究ばかりか，膜タンパク質 複 合 体 の 研究 全 体 の発 展 に 大き く 寄 与す る 重 要な 成 果 であ る と 評 価で き る ，第 四部に記 載された「クラミドモナスにおけるqEクエンチング発動中に形成される
PS
II‑LHC
II‑LHCS
R
超複合体」では，第三部で開発した技術を，強光条件で生育させた
ク ラミドモ ナス細 胞に応用 し，この 条件下のPSI
I‑LH
C
II
超複合体には，さらにLHCSRも 結合して いるこ とを明ら かしたも の．LHC
SRは，緑藻の強光耐性に必須であることが最近遺伝学的に示された重要なタンパク質であり，本研究により，植物の強光耐性メカニズムの理解は大きく進展したものと評価できる．
これら著者の一連の研究結果を要するに，光合成ステート遷移における，「数メガダルトンにおよぶ超分子複合体が受ける動的リモデリングの詳細」が明らかになったことになる．本論文は光合成科学はもとより，基礎生物学全体に貢献するところ大なるものがある。
よって著者は，北海道大学博士（生命科学）の学位を授与される資格あるものと認めー 1465−