光合成研究	
  26 (3) 2016

光合成研究第 26 巻	  第 3 号（通巻 77 号）2016 年 12 月
NEWS LETTER Vol. 26 NO. 3 December 2016
THE JAPANESE SOCIETY OF PHOTOSYNTHESIS RESEARCH
解説	  チラコイド構造の多様性と生理学的意義
	
 

横山	
 諒	
 	
 鹿内	
 利治（京都大）	
 

168

研究紹介	
  色素合成酵素の活性解析から考察する緑色硫黄細菌のアンテナ系クロロフィル	
 
	
  	
  	
  	
  	
  生合成経路	 寺村	
 美里（立命館大）	
 

183	
 

解説特集	
  「光合成色素代謝と光化学系構築のダイナミックな関係」
序文

田中 亮一（北海道大） 柏山 祐一郎（福井工業大）

191

解説	
  クロロフィル色素類の合成系の進化	
 
	
 

塚谷	
 祐介（東京工業大）	
 

192

解説	
  酸素パラドクスの統御で収斂するクロロフィル生合成と窒素固定	
 
	
 

藤田	
 祐一	
 	
 辻本	
 良真（名古屋大）	
 

204

解説	
  光合成生物におけるカロテノイド合成系の進化	
 
	
 

高市	
 真一（日本医科大）	
 

216

伊藤	
 寿（北海道大）	
 

222	
 

解説	
  クロロフィル代謝による光化学系の合成、分解の制御	
 
	
 

報告記事	
  第 17 回国際光合成学会~Photosynthesis in a Changing World~参加報告
	
  	
  	
  	
  	
  -Are You Challenging Yourself?

神保 晴彦（埼玉大）

233

報告記事	
  Finnish-Japanese Symposium 2016: Integration of Photosynthesis with
	
  	
  	
  	
  	
  Cellular Metabolism: Towards Sustainable Bioeconomy 参加報告
小川 敬子（早稲田大）

235

報告記事	
  若手の会活動報告〜第 13 回セミナーの開催、サイエンスアゴラ 2016 での出展
浅井 智広（立命館大）

236

報告記事	
  サイエンスアゴラ 2016 出展報告「光合成をもっと知ろう！～光合成が支える
	
  	
  	
  	
  	
  私たちのくらし～」辻 敬典（関西学院大） 浅井 智広（立命館大）

237

報告記事	
  若手の会活動報告～第 13 回セミナーの開催～
清水 隆之（東京工業大）239

事務局からのお知らせ

240

日本光合成学会会員入会申込書

241

日本光合成学会会則

242

幹事会名簿

244

編集後記・記事募集245「光合成研究」編集委員・日本光合成学会 2016 年度役員

246

賛助法人会員広告光合成研究	  26 (3) 2016

解説	
 チラコイド構造の多様性と生理学的意義§
	
 

京都大学	
 大学院理学研究科	
 
横山	
 諒*	
 	
 鹿内	
 利治
チラコイドは、葉緑体やシアノバクテリアに観察される膜構造体であり、光合成電子伝達の“場”として機能している。これまで多くの光合成生物におけるチラコイド構造が顕微鏡により観察され、その多様性や光環境に応じたダイナミックな構造変化が報告されてきた。一方で、特定のチラコイド構
造をとる生理学的意義や、その構築に関わる分子機構については、最近になってようやくその一端が明らかになりつつある。本稿では、筆者らが最近報告した新規シロイヌナズナタンパク質 RIQ の解析
結果

1)

も交えながら、現在までに明らかとなっているチラコイド構造の構築機構を中心に、その多様性と生理学的意義について紹介したい。
1．はじめにメンと外界（葉緑体の場合はストロマ、シアノバ

	  §チラコイドは、酸素発生型原核光合成生物や、クテリアの場合は細胞質）との間にプロトン駆動

真核光合成生物の葉緑体内に観察される袋状の力を生み出し、最終的には ATPase により ATP

膜構造体であり、細胞内共生以後も高度に保存さ合成の際に解消される 3,4)。脂質・タンパク質以れてきた“光合成の場”である。チラコイド膜は外にも様々な低分子有機化合物がチラコイド膜

脂質・タンパク質・低分子有機化合物を主要構成内に存在し、例えばプラストキノンは電子輸送体成分とする。脂質は、ガラクト脂質のモノガラクのプールとして光合成装置間の電子伝達を仲介

ト シ ル ジ ア シ ル グ リ セ ロ ー ルする 5)。これら以外にも抗酸化作用を持つトコ（Monogalactosyldiacylglycerol; MGDG）とジガラ

フェロールなどの二次代謝物質がチラコイド膜

ク ト シ ル ジ ア シ ル グ リ セ ロ ー ルに含まれている 6)。

（Digalactosyldiacylglycerol; DGDG）、含硫脂質

	  チラコイド構造は電子顕微鏡の発達とともに、のスルホキノボシルジアシルグリセロール

その構造が詳細に観察されてきた。特に透過型電（Sulfoquinovosyldiacylglycerol; SQDG）、リン脂子顕微鏡は現在の葉緑体研究においても頻繁に質 の ホ ス フ ァ チ ジ ル グ リ セ ロ ー ル

用いられ、シアノバクテリアから陸上植物におけ（Phosphatidylglycerol; PG）の 4 種によって構成る多様なチラコイド構造が明らかになっている。

され、特にガラクト脂質は MGDG、DGDG の 2

近年は同一視野の電子顕微鏡画像をコンピュー

2)

種で全チラコイド膜脂質の 7 割以上を占める 。

ター内で 3 次元再構築するトモグラフィー解析

チラコイド膜上には光化学系 II・I（PSII・PSI）、や、微小な探針と試料の間に働く原子間力を測定

シトクロム b6f 複合体（Cyt b6f）、ATP 合成酵素

する原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope;（ATPase）などのタンパク質で構成された光合AFM）が発達してきており、チラコイド構造を成装置が存在する。電子伝達によってチラコイド

より高分解能で立体的に観察し、チラコイド膜上内腔（ルーメン）に放出されたプロトンは、ルーにあるタンパク質複合体の in situ の配置や立体構造までもが解析可能になっている 7-10)。チラコ
イド構造の観察技術が飛躍的に進歩している一§

第 6 回日本光合成学会シンポジウム	  ポスター発表賞受賞

方、「チラコイド構造がなぜ光合成生物に存在し、論文	
 なぜ生物種間で多様化しているのか」というチラ*連絡先 E-mail: r.yokoyama@pmg.bot.kyoto-u.ac.jp168光合成研究	  26 (3) 2016
コイド構造の存在意義に関して、多くの研究者が推察してきたが、それが実証された例は決して多くない。チラコイド膜は多くの光合成電子伝達複合体が局在するが故、“電子伝達の場”として、そしてプロトン駆動力を生み出すストロマ（もしくは細胞質）とルーメンの間の“境界膜”として、重要な機能を果たすということは想像に難くない。しかし、近年盛んに研究されている非光化学的消化（Non-photochemical Quenching; NPQ）やステート遷移といった光合成の制御機構にチラコイド構造がどのように関わっているかは、解明が求められている命題の一つである 11)。そして、基本的な光合成装置のセットは高度に保存されているにも関わらず、生物種間でチラコイド構造が多様化しているという事実は、それぞれの生物で見られるチラコイド構造が何らかの生理学的意義を有していることを暗示している 12)。
	  チラコイド構造の構築に関わる分子機構は、光合成の基本反応や調節に関わるものと比べて理解が進んでいないのが現状である。光合成電子伝
達の基本経路となる Z スキームは既に 1960 年には提唱され 13)、1990 年代後半からはクロロフィ
ル蛍光イメージングを用いた正遺伝学的アプ
ローチにより、光合成の制御や光合成装置の合成
図 1. 陸 上植 物お ける 葉 緑体 の分 化機 構 と構 造
(A) 色素体分化時におけるプロプラスチド、エチオ
プラストおよび葉緑体の模式図。
(B) 長日条件下（16 時間明期/8 時間暗期、50 µmol
photons m-2 s-1）で発芽後約 4 週間生育させたシロ
イヌナズナ野生型における葉緑体の透過型電子顕微鏡写真図。Bar=1 µm。未発表。

に関わるタンパク質が次々と同定された 14, 15)。一方で、チラコイド構造の解析は未だに電子顕微鏡というロースループットな技術に頼っているた
め、正遺伝学的な手法がチラコイド研究に取り込めずにいる。それでも、他の目的で行っている研究の過程でチラコイド構造構築に異常のある変異体が複数単離されてきた。
	  本稿では、現在までに明らかとなっているチラ

化な原色素体（プロプラスチド）から、明所ではコイド構造の構築に関わる因子について陸上植

葉緑体（クロロプラスト）に直接分化し、暗所に物シロイヌナズナにおける研究を中心に紹介す

おいてはエチオプラストを経て、葉緑体へと分化るとともに、各生物におけるチラコイド構造の多する 16)。未分化な原色素体では微細な膜小胞が様性と現在までに明らかとなっているその機能観察され、光合成装置はほぼ存在しない 17)。暗についてまとめる。

所におけるエチオプラスト内には、テトラピロー
ル代謝系の中間産物と代謝酵素（特にクロロフィ

2. チラコイド構造構築における脂質の役割

ル a の前駆体となるプロトクロロフィリドと、そ	  陸上植物におけるチラコイド合成は、葉緑体のの還元酵素であるプロトクロロフィリドレダク

分化とともに協調的に進行する（図 1A）。シロ

ターゼ（Protochlorophyllide Reductase; POR））がイヌナズナでは分裂組織の細胞に含まれる未分

密に詰まった半結晶構造が中央部に存在し、プロ169

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ラメラボディ（Prolamellar Body; PLB）と呼ばれ小胞状の構造体が観察される 29,30)。一方、シロイている 17)。それ故、プロトクロロフィリドを合ヌナズナにおいては SQDG の合成を欠損した変成できない変異体では PLB は観察されない

18)。

異体ではチラコイド構造に明確な異常は確認でPLB からはチラコイドの前駆構造体が伸びておきない 31)。クラミドモナスでの SQDG 欠損株はり、ほぼ完成形のシトクロム b6f 複合体と ATPase

逆にチラコイド構造が大きく歪むことから、陸上が存在し、PSI サイクリック電子伝達を仲介する植物におけるチラコイド構造の構築に対するNADH

デ ヒ ド ロ ゲ ナ ー ゼ 様 （ NADH

SQDG の寄与は低いかもしれない 32)。これらチラ

dehydrogenase-like; NDH）複合体も PSI に結合しコイド膜の合成に必要な脂質合成は、基本的に葉ていない状態で既に合成されている

19-21)。一方、緑体の分化と協調して進行する。特にチラコイド

この時点で PSII はアッセンブリ過程の途中で停膜合成が盛んなエチオプラストから葉緑体への止し、PSI の合成はほとんど進んでいない

22)

。光

脱黄化（緑化）時には、光合成装置や色素の合成が照射されると 1 時間から 1 日をかけて、PORを司る遺伝子群と共に脂質合成に関わる遺伝子によるクロロフィル合成の促進と共に PLB の分も発現が上昇する。これら協調的な遺伝子の発現解が進み、同時にチラコイド前駆体の合成が加速

制御は、核-色素体間のプラスチドシグナルに。チラコイド前駆体の合成が完了

よって仲介されている 33)。チラコイド合成およする際には PSII と PSI の合成も完了し、1 本 1び葉緑体分化における脂質の役割の詳細につい本のチラコイド前駆体の一部は重層してグラナては、小林康一博士執筆の光合成研究の解説記事

されていく

23)

構造（後述）を形成する23)を御覧いただきたい 34)。

。

	  チラコイド膜に最も多く蓄積される脂質である MGDG は 、 ジ ア シ ル グ リ セ ロ ー ル

3. チラコイド構造構築における Vipp1 タンパ（Diacylglycerol; DAG）に 1 分子のガラクトース

ク質の役割が転移されることで合成される。この転移反応を	  チラコイド膜合成における脂質合成酵素につ触媒する MGDG 合成酵素（MGDG synthase; MGD）

いて興味深いのは、脂質合成酵素の全てが色素体

はシロイヌナズナにおいて 3 つの遺伝子により包膜に局在することである。「包膜で合成された

コードされており、光合成器官における MGDG

脂質はどのようにしてチラコイドに供給されて合成は主に MGD1 が担う

24)。その為、この遺伝くのだろうか」という問はこれまで多くの光合子のシロイヌナズナノックダウン変異体 mgd1-1

成・葉緑体研究者を惹きつけてきた課題である 12)。

はチラコイド膜の量が減少し、ノックアウト変異

一つの可能性は、内包膜とチラコイド膜が一部融体 mgd1-2 はチラコイド合成を含めた葉緑体の分合し、包膜からチラコイド膜へ直接脂質が輸送さ化全体が著しく阻害された

25,26)。一方、２番目にれるルートである。通常の透過型電子顕微鏡の二チラコイド膜に多く含まれる DGDG は、MGDG

次元写真では包膜とチラコイド膜の結合は確認にもう１分子のガラクトースが DGDG 合成酵素

されないが、葉緑体の３D トモグラフィー解析に（DGDG synthesis; DGD）によって付加されるこよりチラコイドと包膜の結合が観察された 7)。しとで合成される。シロイヌナズナゲノムにコード

かし、この結合が本当に包膜-チラコイド間の脂されている DGD1、DGD2 遺伝子のうち、DGD1

質供給に役立っているのかの証拠は得られていが MGD1 ともにチラコイド膜合成を担っている

ない。

27)

	
  有力な可能性は、包膜で合成された脂質が小胞。dgd1 変異体ではチラコイド膜が著しく湾曲。PG

でチラコイドまで運ばれるという説である 12)。

もチラコイド構造の構築に重要な役割を果たし脂質の小胞輸送に関わると想定されているのが、ており、PG の合成に関わる酵素を欠損したシロ

Vesicle-Inducing Protein in Plastids 1 (Vipp1)である

イヌナズナ変異体はチラコイド膜がほぼ合成さ

35)

れず、代わりに未分化な色素体に見られるような

kDa のタンパク質であり、葉緑体内包膜とチラコするが、チラコイド膜自体は合成される

28)

170

。Vipp1 は膜貫通領域を持たない分子量約 30

光合成研究	  26 (3) 2016
イ ド に 局 在 す る 。 そ れ 故 、 Vipp1 は inner

的な種なのか、一度チラコイド構造を獲得した後

membrane-associated protein of 30 kDa (IM30)ともに二次的にチラコイド構造を失った種なのかは

36)。シロイヌナズナ vipp1 ノックダウン

現在まで明らかにされていないが、Vipp1 遺伝子

変異体は低温処理で誘導される小胞の形成能をとチラコイド構造の有無に相関があることから、欠き、チラコイドの合成に異常をきたすことから、

チラコイド構造の起源を考察する上で重要な種

包膜からチラコイドへの脂質の輸送に必要な小であることは間違いない。

呼ばれる胞の形成に関わっていることが提唱された

37)。

Vipp1 は、タンパク質中央部に存在するαヘリックス領域でリング状の多量体を形成する

38)

4. チ ラ コ イ ド 構 造 構 築 に お け る イ オ ン の 役。大

割

腸菌のホモログである Phage Shock Protein A	  近年葉緑体における K+、Ca2+や Mn2+などのカ(PspA)も同様の構造をとり、N 末端領域のαヘチオン、Cl-などのアニオンの恒常性に関わるトリックスは PG と結合することが既に明らかとランスポーターなどが次々と同定され、光合成ななっていたことから、Vipp1 も包膜やチラコイド

どの葉緑体機能の制御に重要な役割を果たして膜において脂質と結合して膜構造の維持に関いることが明らかになりつつある 45-51)。中でもわっていることが想定されてきた 39,40)。ドイツのMg2+はチラコイド構造の安定化に重要な役割をSchneider らのグループは、チラコイド膜を模し果たしていることが古くから知られており、それたリポソームを用い、マグネシウムイオン存在下

故チラコイドを単離する緩衝溶液にはチラコイ

で Vipp1 タンパク質が酸性脂質である PG とド膜安定化のために Mg2+を入れる場合が多い。

SQDG に結合し、膜を一時的に不安定化させるこ

暗条件下でのストロマ内 Mg2+濃度は 0.5 mM だとで膜同士の融合を引き起こすことを実証したが、光を当てると最大 5 mM ほどまで上昇するこ41)。しかし、この機能は人工的なリポソームを用とが知られている 52)。この上昇は細胞質及びルー

いて示されたものであり、in vivo 環境で小胞の形メンからストロマへの Mg2+の流入によるもので

成とチラコイド膜への融合を引き起こすのかはある 53)。細胞質からストロマへの Mg2+の流入は、さらなる研究が必要である 35)。また Vipp1 タン

バクテリアから真核生物まで広く保存される

パク質はシアノバクテリアにも高度に保存されMg2+ トランスポーターファミリーCorA に属しており、シロイヌナズナと同様にシアノバクテリて い る 包 膜 局 在 の Magnesium Transporter 10

ア vipp1 ノックダウン変異体は深刻なチラコイド(MGT10)によって仲介されている 54,55)。一方で、構造の異常を示すことから、Vipp1 タンパク質のルーメンからストロマへの Mg2+の輸送を担うト

機能は生物種間で高度に保存され、チラコイド構

ランスポーターは未だ同定されていない。Mg2+造の構築に重要な役割を果たしていることがわがどのようにしてチラコイド構造の安定化に寄

かる

42)

。

与しているのかは長年謎であったが、前述の通り

	  1972 年 に 発 見 さ れ た シ ア ノ バ ク テ リ ア

Vipp1 タンパク質の機能が Mg2+の有無によってGloeobacter violaceus はチラコイド構造の進化を制御されていることから、ストロマ内の Mg2+濃考察する上で重要な生物である。G. violaceus は度が上昇することにより膜同士が融合し、チラコ

光化学系を用いて他のシアノバクテリアと同様イド構造を頑丈にしていることが考えられるの酸素発生型光合成を行うことができるにも関

35,41)

わらず、チラコイド構造を持っていない種であり、にも、ルビスコの活性化やクロロフィル合成に必。興味深い

須であるため、ストロマ内の Mg2+濃度を変える

点は、チラコイド構造構築に重要な役割果たす

ことは植物の生育に大きな影響をもたらす可能

Vipp1 遺伝子が G. violaceus のゲノム上には存在性が高く、変異体を用いた Mg2+濃度の撹乱によしないことである 44)。この生物が、シアノバク

るチラコイド構造への影響は解析するのが難し

テリアがチラコイド構造を獲得する以前の祖先いのが現状である 52)。

光化学系などは細胞膜に存在する

43)。しかし Mg2+はチラコイド構造の安定化以外

171

光合成研究	  26 (3) 2016	  Mg2+以外のイオントランスポーターを欠損し荷を帯びている LHCII の N 末端が、反対側の膜たいくつかの変異体もチラコイド構造が歪むこに局在する LHCII の負電荷を帯びた領域と非特+異的に相互作用することにより、チラコイド膜同とが報告されている。チラコイド膜において K+の輸送を担う Tandem-pore K 3 (TPK3)チャネル

士が接着するという機構によって説明された 59)。

のノックダウン変異体では、チラコイド膜同士のまたチラコイド膜接着における LHCII の重要性

結合が緩み、チラコイド膜が波打つ構造が観察さは、チラコイドに局在する LHCII の量や性質を

れ た

45)

in vivo で操作することでも実証されてきた。エン。 ま た チ ラ コ イ ド 膜 局 在 の-Voltage-dependent Cl Channel (VCCN1)の変異体

ドウの Lhcb1 を恒常的に発現させた形質転換タ

では、チラコイド膜が湾曲しバナナのような形をバコ、および内在性 LhcbM を過剰蓄積させたクしたチラコイド構造が頻繁に観察された

50)

。こ

ラミドモナスでは、チラコイド膜の重層が増加しれらのトランスポーター変異体におけるチラコ

た 60,61)。シロイヌナズナにおいて、クロロフィル

イド構造の変化は、ストロマ/ルーメンにおけるb 合成酵素を欠くため Lhcb1, 2, 3, 4, 6 の蓄積が激

浸透圧差の異常、もしくはイオンバランスが崩れ減するする chlorina 変異体と lhcb5 変異体の二重2+た結果二次的に葉緑体内の Mg 濃度が変化した変異体では、チラコイド膜の重層が弱くなっていことが原因ではないかと推察される。

た 62)。これらの結果は、LHCII の蓄積量とチラコ
イド膜のスタッキングに正の相関があることを

5. チ ラ コ イ ド 構 造 構 築 に お け る LHCII の 役

示唆している。また、シロイヌナズナを葉緑体の割

翻訳阻害剤であるリンコマイシン存在下で一定

	  シロイヌナズナを含む陸上植物の葉緑体には、期間生育させると、葉緑体ゲノムにコードされた

チラコイドが数枚から十数枚層状に重なったグ

PSII サブユニットを合成できないため、PSII 蓄積

ラナと、層状には重なっていないストロマラメラ

量が激減する。一方、LHCII 遺伝子は核コードでと呼ばれる構造が存在し、それぞれの領域にはあり正常に蓄積するため、LHCII/PSII 比が高くな

PSII と PSI が偏在する（図 1B）。このような光る。このリンコマイシン処理植物では最大 100

化学系の分布の違いは Lateral heterogeneity と呼枚以上のチラコイドが重層したグラナが観察さばれ、各チラコイド画分の生化学的分離や免疫電れるほど、グラナ構造が極端に発達していた 63)。

子顕微鏡法により発見された 4)。グラナ構造は基一方で、PSII を欠くが LHCII は蓄積することが部陸上植物に位置する苔類ゼニゴケの葉緑体にできる high chlorophyll fluorescence 136 (hcf136)変も観察されるが、クラミドモナスやシアノバクテ

異体は、グラナを構成するチラコイドが楕円状にリアのチラコイドは重なったとしても数枚程度

広がり、かつチラコイドのスッタッキングが強化であり、陸上植物のようなグラナ構造は観察されされていた 64)。また、LHCII のアイソフォーム間ない 12,56)。グラナ領域には、PSII と集光アンテナ

でもチラコイドスタッキングへの寄与の程度はタンパク質（Light-harvesting Complex II; LHCII）

異なる。シロイヌナズナ Lhcb1 をノックダウンすからなる超複合体が密集しており、その分子間・るとグラナ領域に含まれるチラコイドが減少す

分子内のタンパク質配置は電子顕微鏡や AFM にるのに対し、Lhcb2 ノックダウン株では変わらな

4,57)。グラナ構造が発見さい。このことは、チラコイドのスタッキングにはれて以降、多くの研究者は「なぜ、どのようにし

Lhcb2 よりも Lhcb1 の方が重要な役割を果たしててグラナではチラコイドが重なるのか」という問いることを示唆している 65)。

に答えを出そうとしてきた。

	  LHCII の機能を制御する因子もチラコイド構	  グラナには多量の LHCII が存在することから、造の構築に関わる。pale green の表現型を示す

LHCII がチラコイド膜間の接着を担っていると

grana-deficient chloroplast 1/ LHCP translocation

より観察が可能であるいう考えが、1980 年代からある

58)。この仮説は、

defect (gdc1/ltd)変異体の葉緑体では、チラコイド

LHCII 三量体の表面電荷を変える実験から、正電は合成されるが、それらが結合せずにグラナ構造172

光合成研究	  26 (3) 2016
を欠く。GDC1/LTD タンパク質は葉緑体包膜から複合体の流動性制御に関わることで、光環境へのチラコイドへの LHCII の輸送に関わり、変異体

順応を促進している 73-75)。一方で、ステート 2

では特に LHCII の三量体化が阻害されることよからステート 1 への移行時は、脱リン酸化酵素

66,67)。 Thylakoid

Thylakoid-associated Phosphatase 38 (TAP38)によFormation 1 (THF1)を欠いた変異体の葉は斑入り

り LHCII のリン酸化が解除されることで、LHCIIになり、葉緑体内には正常なチラコイド構造の代が PSII に 結 合 す る 76) 。 STN7、 STN8 に よ る

わりに小胞構造が増え、PSII の量も減少する 68,69)。

PSII-LHCII 超複合体のリン酸化は、グラナ領域のTHF1 と同様にチラコイドの小胞構造に関わるとチラコイドスタッキングにも関わっている。シロ想定されるのが、チラコイドに局在するジスル

イヌナズナ stn7 変異体ではチラコイド構造に表

フィドイソメラーゼ Snowy Cotyledon 2/CYO1

現型が観察されないが、stn8 変異体、stn7 stn8 変(SCO2/CYO1)である。シロイヌナズナ sco2/cyo1

異体のチラコイドは直径が広がり、且つスタッキ

変異体の子葉はアルビノであり、暗所で生育させングするチラコイド数が減少していた 75)。しかた変異体のエチオプラストは野生型と変わらなし、なぜこのように PSII-LHCII 複合体のリン酸

いが、明条件で光形態形成を促進させた変異体の化状態がグラナ領域のスッタッキングを制御す

子葉ではチラコイド膜は合成されず、代わりに小るのか、その分子機構はまだ議論が続いている。

りグラナ構造が形成されない

70,71)。興味深いのは THF1、

有力な説は、LHCII などのストロマ突出領域の電SCO2/CYO1 の両者は LHCII と相互作用すること

荷がリン酸化によって負に帯電することでスッ

胞構造が観察されるが明らかとなっている点である

69,71)。しかし、

タッキングが変わるという可能性である。しかし、

LHCII との相互作用がどのようにチラコイド合

近年になって STN8 によってリン酸化されうる成における小胞輸送に関わっているのか、その詳

新たなグラナ形成因子（後述）が同定されたこと細な機構は不明のままである。

で、PSII-LHCII のリン酸化がどの程度グラナ構造

	  LHCII は PSII とともにグラナ領域において超の制御に寄与しているかは未だ結論がでていな複合体を形成しているが、その機能やチラコイドい。勿論「グラナ構造の構築に LHCII が重要な膜における動態はしばしばリン酸化・脱リン酸化役割を果たす」のは間違いないが、顕著なグラナ

4,11)。PSII 及び PSI構造が観察されないクラミドモナスも陸上植物

はそれぞれ異なる吸収波長をもつため、両光化学と似た LHCII を有していることを考えると、系における励起バランスの不均衡は、電子伝達速

LHCII のみで陸上植物葉緑体グラナ構造の形成度の低下や活性酸素生成の原因となる。そのため、機構を説明することは難しい 23)。

反応によって制御されている

PSI が過励起されたステート１（プラストキノン
プールが酸化状態）では流動的な LHCII が PSII

6. チラコイド構造構築における CURT1 タンに結合し、逆に PSII が過励起されたステート２

パク質の役割（プラストキノンプールが還元状態）では流動的	  近年のグラナ構造の構築機構研究にブレイク

な LHCII が PSI に結合し、両光化学系のアンテ

スルーをもたらしたのが、LHCII を介さない新規

ナサイズを調節することで励起バランスを制御

グラナ構築因子 CURVATURE THYLAKOID 1。ステート 1 からステート 2 への移行時（CURT1）タンパク質の発見である 77)。シロイには、プラストキノンプールの還元状態に依存しヌナズナには CURT1A から CURT1D まで４つのて STN7 と呼ばれるリン酸化酵素が LHCII ストロ

パラログが存在し、光合成装置のサブユニット遺マ突出領域をリン酸化し、膜状における流動性が伝子と共発現をすることから、Armbruster らは光

する

11)

上がることで、その一部は PSI に結合する

72)

。ま

合成の制御に関わる因子の可能性を考え、シロイ

た、PSII のサブユニット（主に D1、D2、CP43、

ヌナズナ curt1 変異体の解析を行った。curt1 変異PsbH）のストロマ突出領域をリン酸化する酵素

体の生育は正常であり、PSII や LHCII を含めたとして STN8 も同定されており、こちらも PSII

主要光合成装置も正常にチラコイドに蓄積する。

173

光合成研究	  26 (3) 2016
今まで知られていない全く新規の機構でグラナ
構造構築に関わっていることが推察された。
CURT1 タンパク質はグラナを構成するチラコイ
ドの端（グラナマージン、図 1B）に特異的に局在しする 10 kDa ほどの小さな膜タンパク質であり、既知の機能ドメインを持たない 78)。しかし、Armbruster らは、全長 CURT1 タンパク質を発現させた大腸菌はほとんど生育しないことをヒン
トに、無細胞系で発現させた組換え CURT1A タ
ンパク質をチラコイド膜に似せたリポソームに挿入させると、リポソーム構造が大きく歪むことを発見した 77)。近年、脂質膜を曲げる機能を持
つ膜タンパク質が次々と認知されるようになり、
動植物細胞の内膜系構造（小胞体や核膜孔、ミトコンドリア内膜など）の形を作り上げるのに重要な役割を果たしていることが明らかとなってきている 79)。CURT1 タンパク質も同様にして、グラナマージン領域に局在しチラコイド膜を湾曲させることで、グラナのスッタッキングの程度を決定していると考えられる。
	  一方で、同じ著者らは、CURT1 は STN8 によってリン酸化されることで CURT1 の機能が制御されていると主張している 23)。もしこの主張が正しければ、stn8 変異体、stn7 stn8 変異体でチラコ
イドのスッタッキングが減少していた理由として、少なからず CURT1 タンパク質がリン酸化さ

図 2. シ ロイ ヌナ ズナ 野 生型 、curt1a、 riq1 riq2の 葉緑 体構 造
長日条件下（16 時間明期/8 時間暗期、50 µmol
photons m-2 s-1）で発芽後約 4 週間生育させたシロ
イヌナズナ野生型、curt1a、riq1 riq2 における葉緑
体 の 透 過 型 電 子 顕 微 鏡 写 真 図 。 Bar=1 µm 。
Yokoyama et al. (2016) 1)より改変。

れていないことが原因だと想定される。そして、
チラコイドスタッキングの表現型が stn7 変異体
では観察されなかった理由もこの仮説で説明できる。しかし、CURT1 タンパク質の膜を曲げる機能がリン酸化状態によってどう変化するかは
実験的には明らかになっていない。
	  またさらに興味深い点は、CURT1 タンパク質

しかし、一方で、curt1 変異体（特に curt1a 変異体）ではグラナを構成するチラコイド数が激減し、代わりにグラナの直径が増大した（図 2）。グラはグラナ構造を構築する因子であるにも関わらず、クラミドモナスやシアノバクテリアなどグラナ構造を持たない光合成生物にも高度に保存さ

ナのスタッキングと CURT1 タンパク質の蓄積量れていることであり、それらの生物におけるには正の相関があり、CURT1A 過剰発現体ではチ

CURT1 遺伝子のホモログの機能が注目されていラコイドのスタッキングが増加した。特筆すべき

た 12,77)。Nickelsen らのグループは Synechocystis sp.

は、CURT1 タンパク質の増減は葉緑体の分化やPCC 6803 における CURT1 遺伝子のホモログ

LHCII などの光合成装置の蓄積量に全く影響をCurT の機能を近年明らかにした 80)。シアノバク

与えず、光合成に与える影響もごく僅かであった

テリア Synechocystis sp. PCC 6803 のチラコイドに点である。このことから、CURT1 タンパク質は174

光合成研究	  26 (3) 2016は細胞膜付近に一部収束する領域があり、そこで域に局在していた。強光下でルーメンの酸性化がは PSII のアッセンブリが高頻度で行われている

起きると、PsbS タンパク質のプロトン化が起こため、バイオジェネシスセンターと呼ばれている

り、またビオラキサンチンデエポキシダーゼの活

12)。シアノバクテリア CurT タンパク質はシロイ性化によるゼアキサンチンの蓄積が起こり（キサヌナズナ CURT1A タンパク質と同様に膜を湾曲

ントフィルサイクル）、最終的には PSII-LHCIIさせる機能があり、CurT タンパク質はバイオ複合体から一部 LHCII が解離してクエンチング

ジェネシスセンターに集中的に局在していた。シサイトを形成する 81-83)。このことから、NPQ のアノバクテリア curT 変異体はバイオジェネシス

qE 成分が誘導される。riq 変異体ではプロトン駆センター付近のチラコイド構造が著しく歪んで動力の形成、PsbS の蓄積量、ゼアザンチンの蓄いた。シロイヌナズナ curt1 変異体と大きく異な積量に異常は見られなかったことから、qE 誘導

るのは、チラコイド構造以外にもノックアウトのに必須な LHCII の動態制御に RIQ タンパク質が影響が顕著に表現型として現れた点である。curT

何かしら関与していることを推察した。これと一変異体は野生型に比べて細胞の増殖が遅く、致するように、riq 変異体では PSII のアンテナサ

CurT タンパク質がバイオジェネシスセンターのイズが小さくなっており、またステート遷移活性

構造維持に重要な役割を果たしているが故、PSIも低くなっていた。これらの結果は、riq 変異体の蓄積量に変化はないが、PSII の蓄積量は半分にのグラナ領域においてステート遷移や qE 誘導時

80)。シアノバクテリアとシロイヌの LHCII の動態が阻害されていることを示唆しナズナで CURT1/CurT タンパク質の機能は保存ている。そして riq 変異体で見られた興味深い表

されているが、タンパク質の局在を変えることで、現型は、グラナを構成するチラコイド数の増加でそれぞれの生物におけるチラコイド構造の構築

ある（2）。riq 変異体では PSII や LHCII の蓄積に寄与していることがわかった。しかしシアノバ

量、及び CURT1 タンパク質の蓄積量に影響がな

クテリアの中でも Synechoccoccus sp. PCC 7942 やいことから、LHCII の動態異常がチラコイドのAnabaena sp. PCC 7120 はバイオジェネシスセン

スッタッキングにも影響しているものと考えら

ターを持たない種であり、これらの種におけるれる。以上の結果から、RIQ タンパク質はグラナ

CurT タンパク質の役割は不明である。

のスタッキングなど、qE やステート遷移を効率低下していたよく誘導するのに必要なグラナの環境を作り出
7. チ ラ コ イ ド 構 造 構 築 に お け る RIQ タ ン パ

す因子であることが示唆された 1)。一方で、RIQ

ク質の役割

タンパク質の詳細な機能についてはまだ明らか

	  筆者らは最近シロイヌナズナにおいて新たににできていない。RIQ タンパク質は PSII や LHCII

同定したチラコイド構造の構築に関わる因子をと比べてチラコイドにおける蓄積量が極端に少1)報告したので、以下にその内容を紹介する 。PSII

ないため（未発表）、LHCII と相互作用して直接は、過剰に吸収した光エネルギーを熱として散逸

LHCII の機能を制御しているとは考えがたい。おし、この機構の評価指標となるのがクロロフィル

そらく RIQ タンパク質はグラナ領域における膜

蛍 光 の 非 光 化 学 的 消 光 （ Non-photochemical構造やイオン環境などを調節し、間接的に LHCII

Quenching of Chlorophyll Fluorescence; NPQ）であの機能を制御していることが考えられる。

る。我々はシロイヌナズナにおいて NPQ の低下

	  両 RIQ タンパク質はグラナに関係する機能をを示す新規シロイヌナズナ変異体 2 系統を同定有しているが、それと一致するように RIQ 遺伝

し 、 reduced

non-photochemical

子は全ての陸上植物に高度に保存されている。緑

quenching 1, 2 (riq1、riq2)と名付けた。riq1、riq2

藻類以外の真核光合成生物や原核光合成生物に変異体では、機能未知のチラコイド膜タンパク質

は RIQ 遺伝子は保存されておらず、緑藻類でもをコードするお互い相同な遺伝子が欠損しておクロレラで RIQ1、RIQ2 遺伝子が双方保存されてり、両 RIQ タンパク質は PSII とともにグラナ領

いるが配列保存性は低く、マイクロモナスでは

inductionof175

光合成研究	  26 (3) 2016
RIQ1 遺伝子は存在しない。クラミドモナスやボ

後解決すべき問題である。

ルボックスでは双方の RIQ 遺伝子を失っており、

	  もう一つのグラナ構造をもつ生理学的意義と緑藻類では RIQ 遺伝子を失う方向性に進化してして提唱されているのは、光合成における集光・いることが伺える。これらの事実から、グラナ構

光防御の制御である。特にステート遷移時におけ造を有する陸上植物で RIQ 遺伝子は重要な役割

るチラコイド構造の動態については研究例がい1)を果たしてきたと推察できる 。今後より詳細な

くつかある。ステート 1 からステート 2 移行時に生化学的な解析を行うことで、グラナ構造維持に

は PSII-LHCII 複合体のリン酸化によってグラナ

おける RIQ タンパク質の役割がより理解されて領域のチラコイド膜同士の結合が緩み、LHCII

いくと考えられる。

が移動しやすい環境になっていることが、シロイヌナズナで明らかとなっている 9)。もう一つの重8. チラコイド構造の生理学的意義

要な集光の制御機構である qE の誘導に関しては、

	
  植物がそれぞれ固有のチラコイド構造をもつ

どのようにグラナ構造が関わっているのかに関

生理学的意義は何なのか？これまで多くの研究する知見は乏しい 88)。しかし、qE が誘導される者がこの問に答えを出そうとし、特に陸上植物全PSII はグラナに局在すること、そして我々が同定

般に広く保存されたグラナ構造に関しては多くした riq 変異体ではグラナ構造と qE の双方に異の仮説が唱えられているが、現在までに実証され常をきたしていたことから、qE 誘導時にグラナているものは少ない。

構造が流動的に変化する可能性は十分に考えら	  グラナ構造に関しては、PSII と PSI の局在をグれる 1)。qE 誘導が著しく阻害されるシロイヌナ

ラナとストロマラメラに分離することで、スピル

ズナ npq1、npq4 変異体と野生型で qE 誘導時のオーバーを防いでいるという説がある

84)

。スピ

グラナ構造を観察することで、qE 誘導時のグラ

ルオーバーとは、PSII アンテナ色素から PSI アン

ナ構造のダイナミクスが今後明らかになるかも

テナ色素へ励起エネルギーが伝達される現象でしれない。

あり、PSII と PSI が結合している場合のみ起こり	  グラナの形態は光環境によりダイナミックにうる。もし PSII で捕集した光エネルギーの大部

変化することが知られており、この変化も植物の分が PSI に直接流れてしまうと、プラストキノン

光環境適応に貢献していると言われている。弱光へエネルギーが伝わらないため、プロトン駆動力

環境下ではより多くの光を集めるため、グラナにを十分に形成できず、光合成の効率が落ちてしま

含まれるチラコイドの直径を短くし、チラコイド

う。植物から単離したグラナのチラコイド膜結合数を増加させる 89,90)。弱光環境に適応した陰生植を人工的に不安定化させることでスピルオー

物は最大 100 枚にも上るチラコイドがスッタッ

バーが増加したことからも、グラナ構造が PSII

キングしている（図 3）。同時に、グラナが重なと PSI の結合を防ぐことによりスピルオーバー

る方向性はランダムであり、葉緑体全体の構造もの抑制に寄与していることが伺える

85)

。しかし

通常のラグビーボール状の形ではなく、歪んだ球

近年シロイヌナズナにおいて PSII の半数は PSI状の形をしている葉緑体が多い。このような特異とグラナマージン領域で超複合体を形成し、むし的なチラコイド構造は陰生植物が弱光環境下にろ積極的に PSI にエネルギーを逃がすことで適応した結果だとされている。弱光環境下に置か

PSII の光阻害を防いでいるという報告がなされれた植物のクロロフィル a/b 比は低い、すなわち

86,87)。PSII-PSI 超複合体形成がどのように制御

PSII 周辺に大きな集光装置を伴っていることをされ、その過程にグラナ構造がどれほど寄与して示しており、グラナ領域における LHCII の増加

いるのかはさらなる検証が必要である。そして、がスッタッキングの増加を引き起こしているとグラナ構造を持たないシアノバクテリアやクラ推察されている 91)。

ミドモナスはどのようにして PSII-PSI 超複合体	  一方で、強光環境下ではグラナに含まれるチラ形成やスピルオーバーを制御しているのかも今

コイドの直径を大きくし、チラコイド数を減少さた

176

光合成研究	  26 (3) 2016

図 3. シ ロイ ヌナ ズナ 及 びク ワズ イモ の 葉緑 体構 造
長日条件下（16 時間明期/8 時間暗期、50 µmol photons m -2 s-1）で生育させたシロイヌナズナ野生型（Arabidopsis
thaliana、陽生植物）とクワズイモ（Alocasia odora、陰生植物）の透過型電子顕微鏡写真図。クワズイモは東京薬科大学 野口航 博士より分与頂いた。Bar=5 µm 又は 1 µm。未発表。

せる 90)。特に強光下では、グラナにおけるチラ

若干低下するが、これはプラストキノンが拡散す

コイド膜同士の結合が緩み、チラコイド膜上のタべき膜内の距離が長くなり、拡散効率が落ちたこ

ンパク質の流動性が上がる

92)。この流動性の上とが原因だとこの論文の著者たちは推察してい昇は、強光によって損傷を受けた PSII の D1 サブる 23)。さらに強光環境下への移行はルーメン領

ユニットの修復に寄与していると言われている。

域の膨張を引き起こし、これは Cl-や Ca2+のルー

グラナにおいて損傷を受けた D1 はグラナマージ

メンへの流入による浸透圧の変化が原因だと言ン領域に移動し、そこで待ち構えている FtsH なわれている 95,96)。ルーメンの膨張は、光合成装置

どのタンパク質によって分解され、新たに合成さ間の電子仲介体であるプラストシアニンや、損傷れた D1 が再度グラナ領域に水平移動して PSIIを受けた D1 タンパク質を分解する Deg proteaseに組み込まれる

93)のルーメン内における拡散を促進する 97,98)。

。この D1 修復機構を効率よく実現するために、グラナの中心領域とマージン領
9. おわりに

域間のタンパク質の拡散速度が強光下で上昇すると言われている

92,94)。また膜の流動性上昇は電	  チラコイドは光合成の基本反応が解明される

子仲介体のプラストキノンのチラコイド膜内拡よりもずっと以前から認識されてきた構造であ散を促進するため、効率のよい電子伝達に寄与しり、透過型電子顕微鏡を用いた観察は多くされて94)。グラナの直径が極端きたが、その背後に潜む分子機構に関しては、光に増大する curt1abcd 変異体では電子伝達速度が合成のそれに比べて著しく遅れている。今後は、ていると言われている177

光合成研究	  26 (3) 2016
電子顕微鏡以外のチラコイド観察技術のますま
8.

すの発展が望まれるのと同時に、それを用いて分子遺伝学な研究を行うことでチラコイド構築に関わる分子機構が明らかになっていくものと予9.

想される。そして得られた変異体の解析などを通して、チラコイド構造の多様な構造とその生理学的意義が今後明らかになっていくであろう。

10.

謝辞
	
  本稿執筆の機会を与えてくださいました日本
光合成学会の先生方、原稿について格別のご配慮

11.

を賜りました埼玉大学 西山佳孝先生に厚く御礼申し上げます。

12.

Received October 31, 2016; Accepted November 19, 2016;
Published December 31, 2016

13.

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Graduate School of Science, Kyoto University

182

光合成研究	  26 (3) 2016

研究紹介	
 色素合成酵素の活性解析から考察する緑色硫黄細菌の	 アンテナ系クロロフィル生合成経路§
	 立命館大学	
 大学院生命科学研究科	
 
寺村	
 美里*
緑 色 硫 黄 細 菌 Chlorobaculum (Cba.) tepidum は 、 生 体 内 で 3 つ の ク ロ ロ フ ィ ル 分 子 種
bacteriochlorophyll (BChl) a/c, chlorophyll (Chl) a を合成する。中でも、BChl c はクロロソームと呼ばれる光捕集アンテナ内部で自己会合体を形成している。このクロロソームを形成するクロロフィルの
12分子構造の特徴として、炭素骨格の 3 位にヒドロキシ基が存在することと、13 位にメトキシカルボ
ニル基が脱離していることの 2 点が挙げられる。ここでは、これら 2 点の構造形成に関わる酵素、
2

BchF/BchV (3 位水和酵素) および BciC (13 位脱離酵素) に着目した。In vitro における各酵素の解析から得られた基質特異性の情報に基づいて、Cba. tepidum 内での予想される BChl 生合成経路について議論する。

1．はじめに 12を合成する （図 1）。中でも、BChl c はクロロソー

	  クロロフィルは生物の光合成器官において、光ムと呼ばれる光捕集アンテナ系の内部で自己会

エネルギーの捕集と伝達、初期電荷分離に必須な合体を形成している 3, 4)。クロロソームの光捕集色素分子である 1)。クロロフィル分子はマグネシ

能力は光合成生物の中で最も高いとされ、細菌のウムを中心に配位した環状テトラピロールを基

微弱光下での生育を可能とする。通常、光合成器

本骨格とする （図 1）。一方、その周辺置換基

官で働く色素分子はタンパク質に固定化され、特は光吸収特性を変化させ、光合成器官の機能や活定の空間的な配置をとることにより、その機能を性に大きく影響する。生体内でのクロロフィル色

果たしている。一方、クロロソーム内部の BChl c素の合成には多数の酵素が関与している。近年のはタンパク質の関与なしに秩序だった超分子構

ゲノム解析の進展と分子生物学的解析により、ク造を形成している。この超分子会合体は、31 位のロロフィルの生合成に関与する多くの遺伝子がヒドロキシ基と 131 位のカルボニル基間の水素結同定された 2)。これまで、それらの遺伝子を欠損

合、31 位のヒドロキシ基と中心金属マグネシウムさせた際に蓄積する色素の解析を中心に、代謝経間の配位結合、クロリン環同士のπ-π相互作用路の議論が進められてきた。一方、in vitro におにより形成されている（図 1）。クロロソーム内

いて、酵素タンパク質としての機能に関する研究に存在するクロロフィルは、このような自己会合は少なく、その反応性や基質特異性など未だ不明

体を形成するために、他のクロロフィル類とは異な点が多く残されている。

なる特有の分子構造を有している。

	  緑色硫黄細菌 Chlorobaculum (Cba.) tepidum は、

	  現 在 、 ク ロ ロ ソ ー ム を 構 成 す る 色 素 と し て

生 体 内 で bacteriochlorophyll (BChl) a/c とBChl c, d, e が天然から、また BChl e を合成する

chlorophyll (Chl) a の 3 つのクロロフィル分子種

種の bchU 遺伝子（20 位のメチル化に関与）欠損
変異株から BChl f が発見されている（図 2）5, 6)。

§

第 7 回日本光合成学会シンポジウム	  ポスター発表賞受賞
論文*連絡先 E-mail: m.teramu18@gmail.com

これらのクロロソームを形成するクロロフィルの分子構造の特徴として以下の 2 点が挙げられ

183

光合成研究	  26 (3) 2016

図 1. Cba. tepidum 由 来の クロ ロソ ー ム (左 上) の 模式 図と 構成 色 素の 分子 構造 、およ び反 応 中心 への 励
起 エネ ルギ ー移 動 (黄 色矢 印 )BChl c の 31 位の不斉炭素では R 体および S 体が存在し得る。R8 の置換基はメチル基、エチル基、プロピル基、
イソブチル基のいずれかである。R12 の置換基はメチル基もしくはエチル基である。

る。一つ目は 31 位にヒドロキシ基が存在するこしていると考えられる 7)。ここでは緑色硫黄細菌とで、隣り合う分子との分子間相互作用の要とのモデル生物である Cba. tepidum を用いて、クロなっており、会合体の形成において重要な働きを

ロソーム色素に特徴的な上記 2 点の構造形成に担う。二つ目は他の全てのクロロフィル色素にみ関与する酵素の in vitro での活性を調べた。その2

られる 13 位のメトキシカルボニル基が脱離して結果明らかとなった各酵素の基質特異性より、1

いる点である。これにより 13 位のカルボニル基

Cba. tepidum 内での予想される BChl 生合成経路

周辺の立体障害を軽減し、会合体の形成を容易にについて検討したので紹介する。
2. 132 位メトキシカルボニル基脱離酵素 BciCの生化学的解析	  クロロソーム色素を特徴づける 132 位のメトキ
シカルボニル基の脱離反応は、色素合成系においてクロロソーム色素合成系と他のクロロフィル類の合成系の分岐点であると考えられる。本研究で用いた Cba. tepidum が合成する 3 種類のクロロ
フ ィ ル は 、 共 通 中 間 産 物 で あ る chlorophyllide

図 2. ク ロロ ソー ム色 素 の分 子構 造
31 位の不斉炭素 では R 体および S 体が存在し得る。R8 の置換基はメチル基、エチル基、プロピル基、イソブチル基、ネオペンチル基のいずれかである。R12 の置換基はメチル基もしくはエチル基である。

(Chlide) a から合成され、その 132 位メトキシカル
ボニル基の脱離反応が、BChl c 合成経路への最初の段階であると予想されていた。先行研究において、bciC 遺伝子欠損株から 132 位脱メトキシカル
ボニル化合物が検出されなかった 8)。このことか184

光合成研究	  26 (3) 2016
ら、bciC 遺伝子産物の脱メトキシカルボニル反ボニル基の脱離機構として、2 つのパターンが考応への関与が示唆されたが、酵素タンパク質の機えられる。ひとつは BciC 酵素がメチル基の脱離能に関しては報告されておらず、合成経路上の何（加水分解）反応を触媒し、そこで生じたカルボ

処 で 働 く の か は 不 明 で あ っ た 。 そ こ で 、 Cba.

ン酸から自発的にカルボキシ基が脱離するパ

tepidum 由来の bciC を大腸菌内で発現させ、そのターンである。もうひとつは、BciC 酵素が一連破砕溶液を用いて酵素反応を試みた。Chlide a をのメトキシカルボニル基の脱離反応を行う場合2である。前者の反応では、メタノール存在下でメ位のメトキシカルボニル基の脱離が観察されたチル基の脱離反応が抑制されることが知られて基質として in vitro での活性を調べたところ、139)2（図 3） 。一方、Chlide a の 13 位立体異性体でいた 10)。しかし、BciC 酵素による反応では、反ある Chlide a´は BciC によって脱メトキシカルボ

応溶液中のメタノール濃度を上げてもそのようニル化されなかった。このことより、BciC によ

な効果はみられなかった。したがって、BciC 酵

2る反応は 13 位の立体選択性を有すことが示唆さ

素はメトキシカルボニル基の脱離反応を触媒すれた。

るデメトキシカルボニラーゼであることが示さ	  次に反応機構を調べるため、酵素反応溶液にメれた。

タノールを添加して検討を行った。メトキシカル	  Chl 色素生合成経路内での BciC の反応位置を
さらに詳細に調べるため、132 位にメトキシカル
ボニル基を有する様々な Chl 誘導体を用いて基質特異性を調べた。Chlide a の中心金属マグネシ
ウムが遊離した pheophorbide (Pheide) a を基質として用いた場合には、反応の進行はみられなかった。他の Chl 色素合成酵素と同様に、基質の認識には中心金属マグネシウムを必要とすることがわかった。さらに、Chlide a の前駆体であるポル
フィリン骨格を持つ protochlorophyllide (PChlide)a でも生成物は得られなかった（図 4）。このことから、BciC は 17-18 位が単結合のクロリン環
形成後に働くことが示された。
	  Cba. tepidum の Chl a 合成経路では Chlide a の
17 位末端に長鎖のアルキル基が導入され、BChl a
合成経路では Chlide a の 7-8 位の二重結合の還元によりバクテリオクロリン環をもつ
3-vinyl-bacteriochlorophyllide [(3V-)BChlide] a

図 3. BciC に よる Chlide a の 132 位 脱メ トキ シ
カ ルボ ニル 反応(A) BciC による脱離反応のスキーム。(B) BciC
による in vitro 反応の逆相 HPLC 解析。それぞれ、Chlide a (i) に空のベクター (ii) もしくは
BciC (iii) を含む大腸菌破砕液を添加後、45 ℃
で 30 分 間 イ ン キ ュ ベ ー ト し た も の と 、
3V-BChlide d の標品 (iv) を示している。ピー
ク 1, Chlide a; ピーク 2, Chlide a’; ピーク 3,
3V-BChlide d。

図 4. 基 質の π共 役 系が 与え る 酵素 反応 へ の影
響＋は反応の進行を、－は反応が進まなかったことを示している。

185

光合成研究	  26 (3) 2016

図 5. Cba. tepidum 内 での 予想 され る (B)Chl 合 成経 路が形成される。そこで、Chl a と 3V-BChlide a を

誘導体を用いて、それぞれの酵素活性の比較をそれぞれ基質に用いて BciC による反応を試みた

行った。まず、BChl c 合成経路中間体として、が、いずれも反応は進行しなかった（図 4）。こ

Chlideのことから、クロロソーム色素である BChl c の

3-vinyl-bacteriochlorophyllide (3V-BChlide) d を基合成経路は、Chlide a に対して BciC が反応する質として用いた場合、反応溶液からは 2 種類の反ことで分岐することが示された（図 5）。

応生成物がみられた（図 7）13)。得られた生成物

	
 は 3 位のビニル基の水和物であることが同定さ

3.	
  3 位ビニル基水和酵素 BchF, BchV の生化れ、メジャー成分が 31 位 R 体、マイナー成分が学的解析

31 位 S 体である 3 位ビニル基の水和物であった。

	  クロロソーム色素のもう一つの特徴である 31

これにより、BchF および BchV はそれぞれ 3 位

位のヒドロキシ基は、3 位のビニル基の水和にビニル基の水和能力を持つことが示された。BciC

よって形成され、bchF と bchV の 2 種類の遺伝子と同様に両酵素は Pheide a、PChlide a、Chl a をの

132

位 が 脱 離 し た。この水和

基質としなかった 14)。さらに BChl c 合成系での反応によって 31 位に不斉炭素が生成し、天然でより詳しい働きを調べるため、8 位と 12 位に様々

は R 体と S 体の 2 種類の立体異性体が存在する。

なアルキル鎖を有し、中心金属に亜鉛をもつが関与することが予想されていた

11)

a

さらに、8 位と 12 位に異なるアルキル鎖を有する同族体が存在し、アルキル鎖の短いものほど
31 位 R 体が、側鎖の長いものほど 31 位 S 体が多く存在することが知られている（図 6）12)。一方、同様の水和反応は BChl a 合成系でもみられ、ビニル基の水和とそれに続く酸化によって 3 位にアセチル基が導入される。しかし、それぞれの遺伝子の発現酵素が 2 種類のクロロフィル合成系にどのように関与しているのか、また 31 位での異性体、8 位や 12 位での同族体をどのように合成し分けているのかなど、未だ不明な点が多く残っている。

図 6. Cba. tepidum か ら抽 出し た BChl c の 同族 体の 逆相 HPLC ス ペク トル とそ れ らの 分子 構造

	  BciC と同様に、BchF および BchV タンパク質と 3 位にビニル基を有する様々なクロロフィル

186

光合成研究	  26 (3) 2016

図 7. BchF/V に よる 3V-BChlide dの 3 位 ビニ ル基 の水 和 反応
(A) BchF/V による水和反応のスキーム。(B) BchF/V による in vitro
反応の逆相 HPLC 解析。それぞれ、
3V-BChlide d (i) に空のベクター(ii)、BchF (iii)、BchV (iv) のいずれかを含む大腸菌破砕液を添加後、35 ℃で 1 時間インキュベートしたも の を 示 し て い る 。 ピ ー ク 1,
3V-BChlide d; ピ ー ク 2,
R[E,M]BChlide d; ピ ー ク 3,
S[E,M]BChlide d。

Zn-3-vinyl-8-ethyl-12-methyl-(Zn-3V[E,M])BPheide

フィル群においては、主に BchV が S 体の合成を

c、Zn-3-vinyl-8,12-diethyl-(Zn-3V[E,E])BPheide c、担っていることが示唆された（図 5）。この結果

Zn-3-vinyl-8-propyl-12-ethyl-(Zn-3V[P,E])BPheide

は Cba. tepidum の bchV 遺伝子欠損株の色素解析cにおいて、31S-BChl c の合成量が大幅に減少した、

Zn-3-vinyl-8-isobutyl-12-ethyl-(Zn-3V[I,E])

BPheide c をそれぞれ基質として用いた。BchF とことと一致していた 13)。

BchV の反応溶液からは [I,E]体の 3 位のビニル基

	  続いて BChl a 合成経路での機能を調べるため、の水和生成物は検出されなかったが、3 種のクロクロリン環の 7-8 位の二重結合が還元されたバク

ロフィル分子[E,M]、[E,E]、[P,E]体の 3 位のビニ

テリオクロリン環を持つ 3V-BChlide a を用いた

1

ル基を水和し、3 位 R および S 体の生成物を与反応も行った。すると、BchF 酵素の反応溶液か

14)

えた（図 8） 。いずれの反応においても R 体がらは対応する 3 位の水和生成物が得られた。一方主生成物であった。一方で、BchV との反応に注

で、BchV 酵素の反応溶液では生成物はみられな

目すると、側鎖が高度にメチル化された色素におかった（図 4）。このことは BchV よりも BchF

いて、S 体が多く生成される傾向がみられた。以が BChl a 合成経路で優先的に機能している可能上の結果から、BChl c 合成系では、8 位と 12 位性を示している。Cba. tepidum の bchF 遺伝子欠のアルキル側鎖が高度にメチル化されたクロロ

損株における BChl a 合成量の大幅な減少は、この結果と矛盾しない。bchF 遺伝子欠損株でも少量の BChl a が合成されているので 13)、BchV がBChl a 合成系で機能しているはずである。そこ
で BChl a 合成の別経路から考えられる基質として Chlide a を用いたところ、両酵素はどちらもこれを水和した。つまり、BChl a 合成系において、
BchF は chlorophyll oxidoreductase (COR) による
7-8 位の還元前後の色素を基質とし得るが、BchV
は COR による還元が起こる前でのみ機能することとなる（図 5）。このことは BChl a 合成系に

図 8. 8 位 およ び 12 位 のア ルキ ル鎖 の 酵素 反応
へ の影 響おいて BchF が BchV よりも基質選択性が低いことを示唆する。

187

光合成研究	  26 (3) 2016	  以上のように、BchF と BchV の基質特異性を参考文献調べた結果、両酵素は BChl c および BChl a の生

1.

垣谷 俊昭、三室 守、民秋 均 (2011) クロロフィ
ル、 pp 137–209、裳華房、東京.

合成経路で機能し得ることが示唆された。その一2.

方で、それぞれの基質特異性に違いがみられ、生Chew, A.G. and Bryant D.A. (2007) Chlorophyll
biosynthesis in bacteria: the origins of structural and

体内において別々の重要な役割を担っているこ

functional diversity. Ann. Rev. Microbiol. 61, 113–とが分かった。

129.
3.

Blankenship, R.E. and Matsuura, K. (2003) Antenna

4. おわりにcomplexes from green photosynthetic bacteria, in	  クロロフィルは生物が光合成を行うために必light harvesting antennas in photosynthesis (Green,

須の色素分子である。酵素タンパク質の in vitro

B.R. and Parson, W.W., Eds.) pp 195–217, Springer,
Dordrecht, The Netherlands.

での生化学的解析は、従来の分子生物学的な遺伝

4.

子欠損変異株の色素解析結果と併せることで、よBlankenship, R.E. (2014) Molecular mechanisms ofphotosynthesis

り詳細な生体内での機能を知ることができる。さsecondedition,pp

59–87,

Wiley-Blackwell, West Sussex, UK.

らに、光合成生物が色素の量や組成を変化させる

5.

Harada, J., Mizoguchi, T., Tsukatani, Y., Noguchi, M.

ことで生育環境に適応している例も多く報告さ

and Tamiaki, H. (2012) A seventh bacterial

れている 15, 16)。今回紹介した 3 種類のクロロフィ

chlorophyll driving a large light-harvesting antenna.
Sci. Rep. 2, 671.

ル合成経路から、クロロソーム色素合成系への分6.

岐点となる BciC や、BChl a の合成にも関与して

Vogl, K., Tank, M., Orf, G.S., Blankenship, R.E. andBryant, D.A. (2012) Bacteriochlorophyll f: properties

いる BchF/V のように、複数の色素合成系は生体of内で密接に関与しており、その制御機構は複雑な

chlorosomes

containing

the‘forbidden

chlorophyll’. Front. Microbiol. 3, 298.

ものであると予想される。色素の生合成経路を解

7.

Oba, T. and Tamiaki, H. (1991) Why do chlorosomal

き明かすことは、生物がどのように色素合成を調

chlorophylls lack the C132-methoxycarbonyl moiety?

節し、環境に適応しているのかを知るためにも重An in vitro model study. Photosynth. Res. 61, 23–31.
8.

要である。合成酵素の機能解明を通じて得られる

Liu, Z. and Bryant, D.A. (2011) Identification of agene essential for the first committed step in the

光合成に関する分子レベルでの知見が、光合成研

biosynthesis of bacteriochlorophyll c. J. Biol. Chem.

究の発展に繋がることを期待する。

286, 22393–22402.

	
 

9.

Teramura, M., Harada, J., Mizoguchi, T., Yamamoto,

謝辞

K. and Tamiaki, H. (2016) In vitro assay of BciC

	  本研究を通じて、手厚いご指導を賜りました立

showing

命館大学大学院生命科学研究科 民秋 均教授に

requisite for biosynthesis of chlorosomal chlorophyll

C132-

demethoxycarbonylase

activity

pigments. Plant Cell Physiol. 57, 1048–1052.

深く感謝致します。また、研究全般を支えてくだ10.

さいました久留米大学原田二朗講師、立命館大学

Shioi, Y., Watanabe, K. and Takamiya, K. (1996)
Enzymatic conversion of pheophorbide a to the

溝口 正教授、東京工業大学塚谷祐介博士、なら

precursor of pyropheophorbide a in leaves ofびに本学生物有機化学研究室の皆様にこの場をChenopodium album. Plant Cell Physiol. 37, 1143–

借りまして、厚く感謝申し上げます。本研究の一1149.

部は、笹川科学研究助成の支援を受けて行われま

11.

Chew, A.G.M., Frigaard, N.-U. and Bryant, D.A.

した。また、執筆の場を与えてくださった日本光(2004) Identification of BchV, a C-31 hydratase

合成学会および編集委員の皆様に心からお礼申

specific for hypermethylated bacteriochlorophyll c in

し上げます。

Chlorobium

tepidum,

Fundamental

Aspects

intoPhotosynthesis:

GlobalPerspectives

Research (van der Est, A., Bruce, D., and Lawrence,

Received October 31, 2016; Accepted November 26, 2016;

K.S., Eds) pp 875–877, Allen Press, Lawrence, USA.

Published December 31, 2016

12.

188

Chew, A.G.M., Frigaard, N.-U. and Bryant, D.A.

光合成研究	  26 (3) 2016(2007) Bacteriochlorophyllide c C-82 and C-121

enzymesmethyltransferases are essential for adaptation to low

biosynthesis of green sulfur bacteria. Photosynth. Res.

light in Chlorobaculum tepidum. J. Bacteriol. 189,

130, 33–45.

6176–6184.
13.

15.

in

bacteriochlorophyllcIshii, T., Kimura, M., Yamamoto, T., Kirihata, M.

Harada, J., Teramura, M., Mizoguchi, T., Tsukatani,and Uehara, K. (2000) The effects of epimerization atY.,(2015)

the 31-position of bacteriochlorophylls c on their

Stereochemical conversion of C3-vinyl group toaggregation in chlorosomes of green sulfur bacteria.

1-hydroxyethyl group in bacteriochlorophyll c by theControl of the ratio of 31 epimers by light intensity.

hydratases BchF and BchV: adaptation of green

Photochem. Photobiol. 71, 567–573.

Yamamoto,

K.

andTamiaki,H.

sulfur bacteria to limited-light environments. Mol.
14.

involved

16.

Jia, T., Ito, H. and Tanaka, A. (2016) Simultaneous

Microbiol. 98, 1184–1198.

regulation of antenna size and photosystem I/II

Teramura, M., Harada, J. and Tamiaki, H. (2016) In

stoichiometry in Arabidopsis thaliana. Planta 244,

vitro stereospecific hydration activities of the 3-vinyl1041–1053.

group of chlorophyll derivatives by BchF and BchV

Elucidation of Bacteriochlorophyll Biosynthetic Pathways Based on in vitro Biochemical
Analyses of Enzymes Working in Chlorosomal Pigment Biosynthesis
Misato Teramura*
Graduate School of Life Sciences, Ritsumeikan University

189

光合成研究	  26 (3) 2016

解説特集 	
 光合成色素代謝と光化学系構築のダイナミックな関係	 Editors: 田中	
 亮一（北海道大学	
 低温科学研究所）	
 
	
 	
 	
 	
 	
 	
 	
 	
 	
 柏山	
 祐一郎（福井工業大学	
 環境情報学部）	
 序文

田中 亮一（北海道大） 柏山 祐一郎（福井工業大）

191

	
 
解説	
  クロロフィル色素類の合成系の進化	
 
	
 

塚谷	
 祐介（東京工業大）	
 

192

	
 
解説	
  酸素パラドクスの統御で収斂するクロロフィル生合成と窒素固定	
 
	
 

藤田	
 祐一	
 	
 辻本	
 良真（名古屋大）	
 

204

	
 
解説	
  光合成生物におけるカロテノイド合成系の進化	
 
	
 

高市	
 真一（日本医科大）	
 

216

伊藤	
 寿（北海道大）	
 

222	
 

	
 
解説	
  クロロフィル代謝による光化学系の合成、分解の制御	
 
	
 

190

光合成研究	  26 (3) 2016

解説	
 
序文

‡

北海道大学	
 低温科学研究所	
 1

田中	
 亮一 3	
 福井工業大学	 環境情報学部	
 2柏山	
 祐一郎 4	 現在の地球には、原核生物から真核生物の様々な系統に分類される多様な光合成生物が存在し、驚くほど多様な光合成色素を駆使しています。光合成の原理はすべて共通であるにも関わらず、そこで使われる光合成色素はどうしてこのように多様なのでしょうか。もちろん、光合成生物がそれぞれの光環境に適応するため、様々な「色を使い分ける」ことができるように光合成色素を配することは、生存戦略として重要です。しかし、光合成色素の多様性をそれらの進化的な側面から考えると、既存の代謝経路からの制約や、「光合成装置との適合」という制約が、複雑な影響を与えてきたであろう点も見逃すことはできません。たとえば、光合成色素の代謝経路には分子酸素と密接な関係にある過程も多く、過去の地球で大気の酸素分圧が上昇した際に大きな変化があったと推測されます。また、光合成色素は光合成のさまざまな反応に関わるだけでなく、光合成装置の構築においても、それらの不可欠なリガンドとして重要な役割を果たしています。さらに、光合成色素のうち、とくにクロロフィル
はその光増感作用による毒性を有するがゆえに厳密な代謝制御が必要であるという点も、光合成色素とその代謝経路の進化に影響を与えてきたと考えられます。
	  さて、2016 年 5 月に東京理科大学で開催された第 7 回日本光合成学会年会および公開シンポジウム
では、光合成色素代謝と光化学系構築のダイナミックな関係というシンポジウムを企画し、若手から
ベテランまで、それぞれ色素代謝研究の最先端に関わっている方々に講演をいただきました。そして本特集では、4 人の講演者により踏み込んだ解説をお願いした。まず、東京工業大学地球生命研究所の塚谷祐介さんにクロロフィル分子の特徴と多様性とそれらの生合成経路の最新の知見を紹介するとともに、色素合成系に関する進化を論じていただきました。また、名古屋大学の藤田祐一さんには、酸素に弱い窒素固定系と酸素を発生する光合成がどのようにして同じ生物の中で共存するかという問題について、シアノバクテリアの窒素固定とクロロフィル生合成の研究を中心に解説していただきました。日本医科大学の高市真一さんには、光合成生物の進化の過程で、とくに細胞内共生によって組成や合成経路が大きく変化してきたと考えられるカロテノイドの進化について解説していただきました。
北海道大学の伊藤寿さんには、クロロフィルの代謝と光化学系の合成・分解の制御との関わりについて解説していただきました。
	  光合成色素の代謝は、光合成と光合成生物の生理的動態を律する重要な要素であり、また、光合成の進化を考える上でも欠かせない、非常に興味深い研究テーマであるといえます。昨今も、クロロフィ
ル f が発見され、さらにはその驚くべき合成酵素が報告されるなど、新しい発見が古い常識を覆していくことも期待できます。本特集が、「色」とは切っても切り離せない光合成の研究の中で、色素代謝の重要性を再認識していただくきっかけになれば、この上ない幸いです。
	  最後に、本特集の編纂に当たってご尽力いただいた光合成研究編集長の西山佳孝さんに感謝の意を申し述べます。	
 ‡解説特集「光合成色素代謝と光化学系構築のダイナミックな関係」

1
2

連絡先 E-mail: rtanaka@lowtem.hokudai.ac.jp
連絡先 E-mail: ykas8787@gst.ritsumei.ac.jp191

光合成研究	  26 (3) 2016

解説	
 クロロフィル色素類の合成系の進化‡	 東京工業大学	
 地球生命研究所	
 
塚谷	
 祐介*
光合成によって生物が太陽の光エネルギーを化学エネルギーに変換できるようになったことは、歴史上最も重要な生物的発明の一つである。光合成反応において、色素であるクロロフィルやバクテリオ
クロロフィルは光エネルギーを捕捉するために必要なだけでなく、捉えた光エネルギーを用いた電子伝達（いわゆる電荷分離反応）における一次電子供与体等としても機能するため、それらなくして光合成反応は成立しない。クロロフィル色素と言っても、化学構造上の側鎖官能基や基本骨格の違いから、大別して 11 の分子種が現在までに発見されており、最近になってようやくほとんどの天然色素の生体内合成経路が解明された。本稿では、光合成色素であるクロロフィル分子の特徴と多様性（どんな生物がどの色素を持っているか）やその生合成経路を概説しながら、色素合成系に関する進化的考察を展開する。	
 1．はじめにBChl と Chl の両方を有していたという可能性も	  §酸素発生型光合成生物であるシアノバクテリある。本稿では、こうした混沌とする色素合成代

アや植物が色素としてクロロフィル（Chl）を持

謝系の進化について、まずはそれぞれの色素分子

ち、一方で、酸素非発生型である「光合成細菌」

種の特徴や多様性、および生合成経路を整理してがバクテリオクロロフィル（BChl）を持つ、といきながら、そこから見えてくる色素進化過程のいうのはよく知られた事実だろう。酸素発生型光可能性について言及する。

合成は酸素非発生型光合成から進化したと考えられており 1,2)、その意味では Chl よりも BChl が2. 光合成生物が持つ色素分子種

進化的に先に誕生していたと考えるのが自然で

2.1. クロロフィル

ある。しかしながら、（それほど知られてはいな	
  植物やシアノバクテリアが持つ Chl 類は、Chl a,

いように感じるが）光合成細菌の中には BChl だb, c, d, f の 5 種類ある 10-12)。現存する全ての酸素けでなく Chl も持つ種も存在する。それは、発生型光合成生物は Chl a を持ち、その他の色素

Chlorobi 門（緑色硫黄細菌）や Acidobacteria 門（ク分子種も持つかどうかは生物種によって異なる。

ロラシドバクテリア）や Firmicutes 門（ヘリオバ

例外として、海洋に優占するシアノバクテリアでクテリア）に属する光合成細菌であり、どのグ

ある Prochlorococcus 等は、通常の Chl a ではなく、ループも光化学反応中心複合体として光化学系 I

8 位がビニル基（通常はエチル基に変換される）。光化学系 I 型のままの 8-vinyl-Chl a を有する 13)。Chl b と Chl cのほうが光化学系 II 型よりも進化的に古いとも

は主に光アンテナ蛋白質で光捕集に機能し、Chl型のみを持つことが共通する
1,8,9)

3-7)、つまり進化の過程で光化学系

d は反応中心複合体で電荷分離に関わる色素とI 型を持つ光合成生物が誕生した際には既にして機能する。Chl f の局在の詳細は分かってい言われておりない。これら 5 つの Chl 色素のうち、Chl c を除
く全ての色素分子種は、クロリン環という基本骨‡

解説特集「光合成色素代謝と光化学系構築のダイナミックな格を持ち（図 1）、その最長波長（Qy）吸収帯は関係」	
 おおむね可視光域の 660~700 nm 付近である。

*連絡先 E-mail: tsukatani@elsi.jp192

光合成研究	  26 (3) 2016

図 1. Chl a と Chl c お よび 全 BChl の 化学 構造
それぞれの色素の Qy 吸収帯のピーク（λmax）はジエチルエーテル中の値である。BChl c, d, e における R1 の側鎖構造はエチル基、プロピル基、イソブチル基、あるいはネオペンチル基のいずれかであり、R2 の側鎖はメチル基あるいはエチル基である。Chl c において、C8 位がエチル基のものが Chl c1、ビニル基のものが Chl c2と細分化され、さらに C7 位がメトキシカルボニル基に変換されたもの（C8 位はビニル基）が Chl c3 と呼ばれる。

	  分子化学構造としては、Chl a の 7 位がホルミについては細菌から発見されたために歴史的にル化されたものが Chl b であり、3 位がホルミル“バクテリオクロロフィル”と名付けられてはい化されたものが Chl d で、2 位がホルミル化されるが、その実はクロリン骨格を有するクロロフィ

10-12)。また Chl c は、名称こル分子である（図 1）。そのため、BChl c, d, e は

そ“クロロフィル”であるが、その実はクロリン

Chl 類と同様に、モノマーの状態では 645~660 nm

環ではなくポルフィリン環骨格を持つポルフィ付近に吸収帯を示す。しかし BChl c, d, e は、化リン分子（C17=C18 の二重結合が還元されてい学構造上の特徴から蛋白質等の関与がなくてもない）である点に注意されたい。

自己会合しやすく、生体内では自己会合体を形成たものが Chl f である

することで吸収帯が長波長シフトし 715~750 nm
2.2. バクテリオクロロフィルに吸収極大を示すようになる（会合体の形成様式

	  光合成細菌が合成する天然の BChl 類は、BChl

は本号の研究紹介記事を参照されたい）14)。BChl

a, b, c, d, e, g の 6 種類ある 10)。これらのうち、基

a, b, g が持つバクテリオクロリン骨格とは、クロ本骨格としてバクテリオクロリン環を有するのリン骨格の C7=C8 二重結合が還元されて単結合は BChl a, b, g のみであり、その他の BChl c, d, eになった状態である（図 1）。これにより Chl 類

193

光合成研究	  26 (3) 2016
表 1. 光 合成 細菌 の各 分 類グ ルー プ別 の 色素 と光 合 成装 置の 特徴
門

日本語慣用名クロロフィル系色素

反応中心

周辺集光装置Proteobacteria

紅色細菌

BChl a または BChl b

光化学系 II 型

LH1/2

Gemmatimonadetesなし

BChl a

光化学系 II 型

LH

Chloroflexi

緑色糸状性細菌またはBChl a と BChl c

光化学系 II 型

クロロソームLH

繊維状光合成細菌
Chlorobi

BChl a と、BChl c/d/e のう緑色硫黄細菌

光化学系 I 型

ちどれか、および Chl a
Acidobacteria

クロラシドバクテリア

BChl a と BChl c と Chl a

FMO
光化学系 I 型と、さらに Zn-BChl a
Firmicutes

ヘリオバクテリア

BChl g と 8-OH-Chl a

クロロソームクロロソームFMO

光化学系 I 型

なし（クロリン骨格）と比較してπ共役系が伸長する

していたことから、天然環境中から BChl f を持ため、より長波長側へ Qy 吸収帯を持つようにな

つ光合成細菌が発見される日もそう遠くはない

り、BChl a, b, g は 770~800 nm 付近に吸収極大をかもしれない。

示す。
	  化学構造としては、BChl a の C8 位エチル基が2.3. バ ク テ リ オ ク ロ ロ フ ィ ル の 系 統 分 布 ・ 多エチリデン基に変換されたものが BChl b である

様性

10)

。C8 位エチリデン基の存在によってπ共役系が	  光合成細菌は 6 門の分類群に渡って単離され伸長するため、BChl b は天然 Chl/BChl 色素類のている（表 1）。Proteobacteria 門のいわゆる紅色

中で最も長波長の光を吸収し、唯一モノマーの状細菌は単一の色素として BChl a を用いて光合成

10,15)。BChl g

生育するものがほとんどであるが、種によってはも C8 位にエチリデン基を有するが、C3 位が BChl

BChl a で は な く BChl b を 合 成 す る 21,22) 。

a/b とは異なりビニル基であるために Qy 吸収帯

Gemmatimonadetes 門の光合成細菌は、紅色細菌

が短波長化して相殺されるため、結果としてと同様に、光化学系 II 型を持ち BChl a を使ってBChl a とほぼ同様の吸収極大（Qy 吸収帯＝767

光合成を行う 23)。Chloroflexi 門の光合成細菌（緑nm）を示す。クロロソームの“バクテリオクロ

色糸状性細菌あるいは繊維状光合成細菌とも呼ロフィル”色素である BChl c, d, e の化学構造にばれる）は、光化学系 II 型に BChl a を結合する

ついては、BChl c の C20 位メチル基が無いものが、光アンテナ器官としてクロロソームを持ち、が BChl d であり、C7 位がホルミル化されたもの

その内部に多数の BChl c の自己会合体を有する態で近赤外光領域に吸収極大を持つが BChl e である

16,17)

3,24)。この化学構造の関係性か。なお、クロロソームの細胞膜接着部分はら、BChl c の C20 位メチル基が無く且つ C7 位が“ベースプレート”と呼ばれ、多数の BChl a がホルミル化されたものを BChl f と呼ぶこととし

結合しており、クロロソーム内部色素会合体からて、1970 年代にその名称が“予約”されていた反応中心への光エネルギー移動を担っている（図、未だに天然からは見つかっていない。こ2）25)。Chlorobi 門の緑色硫黄細菌もクロロソーの幻の色素として扱われてきた BChl f についてムを持つが、その内部の自己会合色素は種によっは、近年になって BChl e を持つ緑色硫黄細菌のて BChl c, d, e のうちのいずれかである 3,25)。また、遺伝子工学的な改変によって BChl f を合成させ緑色硫黄細菌は緑色糸状性細菌とは違って、反応ることに成功したことが日本と米国のグループ

中心が光化学系 I 型であり、その内部で一次電子が18)

19,20 )

。合成された BChl f受容体として機能する色素が Chl a であるため、はクロロソームの内部自己会合色素として機能

BChl a を含めて都合 3 種類の色素を合成するから相次いで報告された

194

光合成研究	  26 (3) 2016

図 2. 緑 色硫 黄細 菌（ A） と緑 色糸 状性 細 菌（ B） の光 合成 装置 の 構造 模式 図 	
 緑色の筒状構造はクロロソーム BChl 色素の自己会合体を表す。緑色硫黄細菌は光化学系 I 型反応中心を、緑
色糸状性細菌は光化学系 II 型反応中心を用いて電荷分離反応を行う。緑色糸状性細菌にはクロロソームと光化学系反応中心の間に FMO 蛋白質が無い。

3,4,25)。Acidobacteria 門のクロラシドバクテリアも、

3.1. 色素生合成経路の初期段階

緑色硫黄細菌と同様に光化学系 I 型に BChl a と	  Chl および BChl は、5-アミノレブリン酸といChl a を、クロロソームに BChl c を持つが、これ

うグルタミン酸またはグリシンの誘導体を出発らに加えてさらに中心金属に通常のマグネシウ

物質として生合成される（図 3）29,30)。グルタミ

ムではなく亜鉛が配位した Zn-BChl a を有する

ン酸から 5-アミノレブリン酸への変換は、グルタ

5,6)。クロラシドバクテリアの Zn-BChl a は光化学

ミル t-RNA 還元酵素等によって触媒される 31,32)。

系 I 型反応中心あたり 1~2 分子結合することが分グルタミル t-RNA 還元酵素はセントラルドグマ

かっているが、どのように機能しているのかは不における蛋白質合成でも機能するものであり、初6)明である 。このようにクロロソームを持つ光合期生命体が自己複製機構（self-replicating system）

成細菌は全 6 門中 3 門に存在するが、反応中心とを獲得した頃には既に存在したと考えられるこ

して光化学系 I 型を持つ緑色硫黄細菌とクロラシとから、色素分子の生合成系も生物進化のかなり

ドバクテリアでは、クロロソームのベースプレー

初期段階で獲得されていた可能性がある。なお、

ト部と光化学系 I の間に FMO と呼ばれる蛋白質

グリシンからのルートでは、グリシンとスクシニ（発見者の名前にちなんで Fenna-Matthews-Olson

ル CoA の縮合反応によって 5-アミノレブリン酸

protein と名付けられた）が存在する（図 2）。FMOが合成される 33,34)。

は三量体として機能するが、単量体あたり 8 分子

	  5-アミノレブリン酸から Uroporphyrinogen IIIの BChl a が結合して、クロロソームのベースプまでの経路はヘム、シロヘム、ビタミン B12（コレートから光化学系 I 型への光エネルギー移動をバラミン）、および F430（メチル補酵素 M 還元酵

担う

26,27)。Firmicutes 門の光合成細菌であるヘリ素の補欠分子族）の生合成経路と共通している

アバクテリアは BChl g を主要な色素として光合（図 3）29,30,35)。Uroporphyrinogen III からさらに 3成生育するが、他に少量の 8-hydroxyethyl-Chl a

段階先の Protoporphyrin IX までの経路はヘム生

7,28)。ヘリオバクテリアは光アンテナ

合成と共通する経路である（図 3）。Protoporphyrin

複合体を持たないため、これらの色素は全て反応

IX に対して中心金属として Fe が挿入されるとヘ中心に結合している。

ム合成経路へ、Mg が挿入されると Chl/BChl 生合も合成する成経路へと進む。ヘムは、全生物が持つ補酵素で3．光合成色素の生合成経路

あり、生物の共通祖先（LUCA: Last Universal

195

光合成研究	  26 (3) 2016

図 3. 天 然光 合成 色素 の 生合 成経 路
化合物名の赤、緑、青色表記は、それぞれポルフィリン骨格、クロリン骨格、バクテリオクロリン骨格を持
つ化合物を表す。DVR はジビニルリダクターゼ、POR はプロトクロロフィリド a 還元酵素、COR はクロロフィ
リド a 還元酵素の略称である。a-COR は BChl a 生産性光合成細菌の COR を、
b/g-COR は BChl b あるいは BChl
g 生産性光合成細菌の COR を表す。

Common Ancestor）もヘムを有していたと考える

Mg-キラターゼは 3 つのサブユニットで構成されのが自然である。現在のクロロフィル合成系が全る 36,37)。フェロキラターゼが反応に還元力を必要てヘム合成系からの分岐によって生じたかは不とするのに対して、Mg-キラターゼはその反応に明ではあるものの、最初の光合成生物の誕生も生

ATP を要する 36-38)。Chl と BChl は通常中心金属

命進化の初期段階であった可能性はあるだろう。

としてマグネシウムを配位しているが、ごく一部の光合成細菌では中心金属に亜鉛を配位した

3.2. 色素生合成初期経路における進化的考察

Zn-BChl を持つ 6,39)。前述のクロラシドバクテリ

	  Protoporphyrin IX へのマグネシウムの挿入は、

ア 6)以外では、Proteobacteria 門の Acidiphilium 属

Mg-キラターゼという酵素によって触媒される。

の光合成細菌が Zn-BChl a を持つ 39)。これらの生

ヘム合成経路における鉄を挿入するフェロキラ

物では通常の(Mg-)BChl も（量の多寡こそあれ）

ターゼは単一サブユニットであるのに対して、合成はされる。Mg-キラターゼによって Mg が挿196

光合成研究	  26 (3) 2016
入された後に環境中の物理化学的な作用によっ実験でもポルフィリンが生成されるという報告て脱離し Zn に置換されるのか、あるいは Zn 用や、宇宙から飛来した隕石中にポルフィリン化合のキラターゼが存在して酵素触媒的に Zn-BChl

物が見つかったとする研究 50)も報告されている。

が合成されるのかは未だに分かっていない 40)。

初期地球における生命体が非生物的に作られた有機合成実験によりポルフィリン化合物に中心ポルフィリン分子を用いて黎明期の光反応を

金属を挿入する際には、Mg 挿入では高温ピリジ行っていた可能性も示唆されており 51-53)、これがン中でのリフラックスが必要となるが、Zn 挿入

やがて酵素反応に基づく分子生産と光合成を行

41)

、酵素

うようになったと仮定すると、地球上に Zn 元素

反応を介さずに Zn-BChl が合成されている可能が豊富に存在し始めた時期を特定できればその性も残されている。また化学的には、特に酸性環分岐点に関して示唆を与えることができるだろ

境では、Mg-BChl よりも Zn-BChl の方が安定でう。

の場合は常温付近でも可能であるためある。ではなぜ光合成生物がほぼ必ず色素の中心
金属に Mg を利用しているかという疑問に対す

3.3. Chl と BChl に共通の生合成経路

る答えの一つは、原始地球の地質学的性質による

	  Protoporphyrin IX 以降は色素生合成に独自の経かもしれない。約 44 億年前の地球表層環境では、路となるが、そこからクロロフィリド a (Chlide a)

Mg は最も豊富に存在した元素の一つであり、Znまでの段階が、Chl と BChl のどちらにも共通の

42)

。当時の

生合成経路である（図 3）。つまり Chlide a は、

地球に多く存在したとされる元素(Si, Ti, Na, K,

それぞれの色素分子種の生合成ステップへの分

Ca, Mg, Fe)のポルフィリン化合物への挿入を調岐点となる重要な中間物質である。

べた化学実験では、その化学的性質ゆえに Mg とProtoporphyrin IX に Mg が挿入された後は、メチFe が配位した化合物が進化的にも最も安定的にルトランスフェラーゼとシクラーゼによって保存されてきたのだろうと結論付けられている

Divinyl protochlorophyllide a にまで至り、さらに43)

ジビニルリダクターゼによって還元されてプロはほとんど存在しなかったとされる。

	
  色素分子自体にも Mg あるいは Zn が必要とな

トクロロフィリド a (PChlide a)が合成される（図るが、クロロフィルやヘムの生合成反応に Mg や

3）30,54)。なお、Protoporphyrin IX から PChlide a

Zn を要する酵素も存在する。生合成経路の初期までの色素中間体の基本骨格はポルフィリン環

段階で 5-アミノレブリン酸 2 分子を縮合してである。その後、プロトクロロフィリド還元酵素

Porphobilinogen を合成する酵素では、酵素の活性（POR）によって PChlide a の C17=C18 位二重結

中心に Mg か Zn を結合する

44)。系統解析による合が還元され、クロリン環構造を持つ Chlide a へと、より祖先的な Porphobilinogen 合成酵素ほど、と変換される 55,56)。POR には、2 つのタイプが存

Zn を結合するものであることが示唆されている在する。1 つは酸素発生型光合成生物のみが持つ

44,45)。これを素直に解釈すると、クロロフィルや

光依存型プロトクロロフィリド還元酵素（LPOR）

ヘムが酵素生物学的に合成されるようになったであり、この酵素は反応に光エネルギーを必要とのは地球上に Zn が豊富に存在し始めた時期よりする。もう 1 つは、光非依存型プロトクロロフィも後という事になる。初期生命体を構成する有機

リド還元酵素（DPOR）であり、光合成細菌を含化合物は初め非生物的に（”abiotic に”）合成されむほとんどの光合成生物がこれを持つ。LPOR がたものが用いられ、その後セントラルドグマに

酸素発生型光合成生物のみに存在することや、

よって生物的に合成されるようになったと言わ

LPOR は酸素耐性があるのに対して DPOR が酸れているが、ポルフィリン化合物（クロロフィル

素に対して非常に脆弱であることから、祖先型光やヘムの前駆物質）も非生物的に合成され得ると合成生物は DPOR を用いてクロリン環化合物のいう研究は多数ある。放電
高温等

49)

46,47)

や紫外線放射48)、の条件を用いた有名なミラー・ユーリ

197

合成を行っていたと考えられる。

光合成研究	  26 (3) 2016
3.4. Chlide a からの分岐経路の祖先酵素から進化してきたと考えられている。

	  Chlide a に対してクロロフィル合成酵素（ChlG）

この共通祖先酵素が DPOR 様の反応性しか持たが作用して疎水性鎖であるフィチル基が C17 位

ない場合は、祖先型光合成生物は Chl までしか合に付加されることで、Chl a が合成される（図 1、成できないことになり、DPOR と COR の両方の

図 3）。Chl b, d, f の合成は、ChlG の作用の前ある

反応性を有する（2 箇所の二重結合を還元できる）

いは後にそれぞれ C7 位メチル, C3 位ビニル, C2場合は、祖先型光合成生物は既に BChl を持って位メチル基がホルミル化されることで達成されいたことになるだろう。系統解析によって共通祖る。これらのうち、Chl b 合成酵素

57)と Chl f 合成

先酵素の一次配列を決定することができれば、そ酵素 は同定されているが、Chl d 合成酵素（C3の酵素活性を解析することでこの問題に実験的位ホルミル化酵素）はまだ見つかっていない。

な証拠を提示することができるだろう。

9)	  BChl a 生合成経路への分岐は、Chlide a に対してクロロフィリド還元酵素（COR）が作用して3.5. 生物種による COR の反応性の違い

C7=C8 位 二 重 結 合 が 還 元 さ れ て 、 3-Vinyl

	  中間物質 Chlide a を経由せずに生合成される

bacteriochlorophyllide a が合成されることで起こ

天然色素は 3 種類ある。うち 1 つは Chl c であり、る

58,59)。これはクロリン環からバクテリオクロリ

これはそもそもポルフィリン分子なのでクロリン環への変換に相当する。その後、BchF と BchC

ン環構造である Chlide a まで至らないと考えらに よ っ て C3 位 が ア セ チ ル 化 さ れ たれる。残る 2 つの色素は BChl b と BChl g であり、Bacteriochlorophyllide a に対して、バクテリオク

共に C8 位エチリデン基という側鎖構造を持つこ

ロロフィル合成酵素（BchG）が作用することでとが特徴的である（図 1）。C8 位エチリデン基の疎水性鎖であるフィチル基が C17 位上に付加さ存在によってこれら 2 つの色素はπ共役系が伸長れて BChl a が合成される

54)。

し、（エチリデン基が無い時よりも）より長波長	  Chl a と BChl a の最終合成ステップ（フィチルの Qy 吸収帯を示す。中でも BChl b は天然色素の鎖の付加）を触媒する ChlG と BchG は、互いに中で唯一近赤外光領域に吸収極大（Qy 吸収帯）

相同性があるホモログ蛋白質である。つまり、を持つため、産業利用へも期待されているが、エBChl a の合成には Chl a の合成よりも 3 段階も余

チリデン形成酵素は長年の謎であった。近年のゲ

分な合成ステップが必要であり、グラニック仮説

ノム解析によって BChl b, g を持つ光合成細菌は

60,61)に照らし合わせると単純な合成系を持つ化共通して、色素生合成酵素群のうちジビニルリダ

合物ほど進化的に古いとされるため、Chl a の方

クターゼを欠くことが分かってきた（図 3）63,64)。

が BChl a よりも起源が古いことになる。

このため COR の基質となる Chlide a が生じず、

	  Chl が進化的に古いか BChl の方が古いかといこれらの光合成細菌では COR は（C8 位ビニル基う議論の発端は、1）生合成経路を見る限り Chlが還元されていない）8-vinyl-Chlide a を基質としの方が単純な分子である、2）光合成細菌の中でて認識・作用し、C7=C8－C81=C82 のジエン型共

も Chl 分子を持つものが存在する、の 2 点に集約

役二重結合のモノ還元と同時に C8 位エチリデン

される。この議論を実験的に証明するために著者基が形成されることが近年明らかとなったらのグループは、DPOR と COR に注目している。

15,65,66)

ポルフィリン環は DPOR によってクロリン環に酵素が存在するわけではなく、COR の反応性（水変換され（C17=C18 二重結合の還元）、さらにク

素付加箇所）が BChl a 生産性光合成細菌の COR

ロリン環は COR によってバクテリオクロリン環とは異なるために、最終産物となる色素分子種が54-56,58,59)に変換される（C7=C8 二重結合の還元）。

。つまり、エチリデン形成のために別個の変わり、ひいては色素が結合する光アンテナ蛋白

これらの反応をそれぞれ触媒する DPOR と COR

質の in vivo 吸収帯が 140 nm も長波長化しており、は共にニトロゲナーゼ類似酵素ファミリーに分

これは大変興味深い現象である。BChl a 生産細

類され

62)

菌の COR と BChl b 生産細菌の COR を用いた系、互いに相同性を示すことから、共通

198

光合成研究	  26 (3) 2016
統解析では、サンプル数が少ないものの、BChl aの酵素の共通祖先蛋白質が、色素の基本骨格や側型 COR から BChl b 型 COR が進化したことが示鎖構造に関係なく長鎖アルキルを付加する反応

唆された

15)

。つまりこの結果だけを捉えると、性を持つかどうかも大変興味深いところである。

駆動光から見た生物の進化は、可視光側からより長波長を利用する方向へ進化してきたことにな

4. おわりにる。しかし、最初に誕生した色素が BChl a と仮	  生命の誕生は今から 45〜40 億年前の冥王代期定した場合には、そこから短波長利用（Chl 類）と言われているが、それからどのくらい後になっと長波長利用（BChl b）の両方向へそれぞれ進化て生物が光合成能を獲得したのかはまだはっきしてきたことになる。進化的に最初に誕生した色りとしていない。初期生命体の生命維持活動に必素が何であったのかを明らかにしておくことは、

要なエネルギー源は未だ大きな謎であり、その候

生物の光波長利用が１つの方向性を持って進化補の一つとして太陽光は、遮るものさえ無ければしてきたのかあるいはそれぞれの生物のニッチ「すぐそこにあるエネルギー源」だったと考えらに沿って複雑に進化してきたのかという問題にれるため、生命誕生のすぐ後には光合成生物/生対してのマイルストーンになるだろう。

命体が存在していたと考える研究者は少なくな
い（と個人的に思う）。一方で、生命の起源は深3.6. ク ロ ロ ソ ー ム 内 部 BChl 色 素 へ の 生 合 成

海中の熱水鉱床付近で起こったとする説も根強

経路分岐

く、この場合は当然深海まで太陽光は到達してい	  前述したように Chlide a は、色素生合成経路にない。しかし近赤外/赤外領域の波長エネルギー

おいてハブとなる重要な中間物質である。Chlide

が地熱放射（黒体放射）によってもたらされていa に対して、ChlG が作用すると Chl 生合成へ分たという研究もあり 73)、この波長域は Chl よりも岐し、COR が作用すると BChl a 生合成へ分岐すBChl が得意とするところである。こうした意味

るが、BciC という酵素が作用すると BChl c, d, e

でも、進化の過程で Chl か BChl のどちらが先に生合成経路へと分岐する

67,68)。これらのクロロ

ソーム内部色素に共通する特徴は 2 点あり、C3存在していたのかという問題は興味深く、他の研

1究分野への波及効果も大きいと思われる。

2位にヒドロキシ基を有することと、C13 位の（他	  BChl c, d, e のメトキシカルボニル脱離酵素、の色素には必ず存在する）メトキシカルボニル基

BChl e の C7 位ホルミル化酵素、そして BChl b, g

が脱離していることである

10,14)

2。C13 位メトキシのエチリデン形成酵素が近年相次いで発見され1カルボニル基がないために、C13 位のカルボニたことによって、全ての BChl 分子種の全ての生ル基周辺の立体障害が軽減されることで、これら合成経路は既に判明している。Chl 分子種の生合69)。

成系で未だに不明なものは、Chl d の C3 位ホルBChl c, d, e 生合成系への分岐段階で機能する

ミル化酵素、Chl c の C17 位アクリレート基形成

BciC は、メトキシカルボニル基の脱離を触媒す

酵素、Chl c3 の C7 位メトキシカルボニル基形成の色素は自己会合体を形成しやすくなる

る酵素であり14,68)、その後 BchF/V の作用によっ1て C3 位ヒドロキシ基が合成される

70,71)に関わる酵素、およびヘリオバクテリアの。さらに

8-hydroxyethyl-Chl a の合成に関わる酵素である。

それ以降は、BChl c 合成では C20 位メチル化、これらの酵素が同定されて Chl 生合成系も完結

BChl e 合成ではさらに C7 位ホルミル化が起こりすることを心待ちにしているが、一方で特殊環境（BChl d ではどちらも起こらない）、最終的には中から新たな光合成生物や色素分子が発見されC17 位上に疎水性ファルネシル鎖が付加されてて、また新たな生合成経路が解明されていくこと

生合成経路は完結する

16,17,72)。結果として緑色硫に関わるのも楽しみである。新たな多様性が見つ

黄細菌では、C17 位に疎水性長鎖アルキルを付加かることで光合成の進化を紐解く鍵がまた一つする酵素を都合 3 種類持つ（ChlG=Chl a 用；

増えることに期待している。

BchG=BChl a 用；BchK=BChl c, d, e 用）。これら

199

光合成研究	  26 (3) 2016
謝辞9.

	
  本研究の一部は、文部科学省科研費（26840099,
15H01063）および科学技術振興機構さきがけ研
究の補助を受けて行われました。本稿の執筆にあたり、立命館大学の民秋均先生、浅井智広先生、
東京工業大学の中川麻悠子先生、増田真二先生に

10.
11.

は、貴重なご助言を頂きました。この場を借りて御礼申し上げます。また、このような執筆の場を12.

与えてくださった日本光合成学会ならびに編集委員の方々に御礼申し上げます。
13.
Received November 21, 2016; Accepted November 28,
2016; Published December 31, 2016

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Yusuke Tsukatani*
Earth-Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology

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光合成研究	  26 (3) 2016

解説	
 酸素パラドクスの統御で収斂するクロロフィル生合成と窒素固定‡	 名古屋大学	
 大学院生命農学研究科	
 
藤田	
 祐一*	
 	
 辻本	
 良真
分子状窒素をアンモニアに変換する窒素固定反応を担うニトロゲナーゼは、酸素にさらされると直ちに不活性化されてしまう酵素である。窒素固定能を有するシアノバクテリアが、酸素に脆弱なニトロ
ゲナーゼによる窒素固定と酸素を生じる光合成の両立という“酸素パラドクス”を、どのように統御しているのかは十分理解されていない。私たちは、窒素固定性シアノバクテリア Leptolyngbya boryana
を材料として、窒素固定遺伝子（nif 遺伝子）群が集積する遺伝子領域を見出し、その中に nif 遺伝子群の発現を制御する転写制御タンパク質の遺伝子 cnfR を同定した。また、この遺伝子領域に、低酸素下においてクロロフィル・ヘム・ビリン色素の供給を可能とする転写制御タンパク質の遺伝子 chlR も同定した。本稿では、シアノバクテリアにおける酸素パラドクスの統御という観点から窒素固定と低酸素環境でのクロロフィル生合成について紹介する。	
 1. 窒素固定とニトロゲナーゼ

Mo 型ニトロゲナーゼが、ニトロゲナーゼとして	  §窒素固定は、分子状窒素（N2）をアンモニア

生化学的に最もよく研究されてきたことから、以に変換する過程である。この反応により、不活性下、Mo 型ニトロゲナーゼについてその特徴を記な N2 分子が、多くの生物が利用できる窒素態とす 3)。

なることから、地球生態系の窒素循環に不可欠な	  ニトロゲナーゼの反応は、以下の通りである。

反応である。現在では、工業的窒素固定が固定窒
素全体の 30％程度を占めるが、ハーバー・ボッ

N2 + 8H+ + 8e– + 16ATP + 16H2O → 2NH3 + H2 +シュ法が開発される 20 世紀以前は、窒素固定は、

16ADP + 16Pi

もっぱら生物による窒素固定反応に依っていた。
なお、空中での雷放電による窒素酸化物の生成も	  Mo 型ニトロゲナーゼは、容易に分離される２固定窒素供給への一定の寄与があり、現在は、化つのコンポーネント、Fe タンパク質と MoFe タ

石燃料の燃焼による窒素酸化物生成がこれに加ンパク質から構成される（図 1）。Fe タンパク質

わり、固定窒素全体の 10％程度を占める

1,2)

は NifH タンパク質の二量体であり、フェレドキ。

	  生物窒素固定は、ニトロゲナーゼという酵素にシンなどから電子を受け取り、ATP の加水分解

よって触媒される。ニトロゲナーゼには、活性中に共役して電子を MoFe タンパク質に送り出す心に含まれる金属の異なる 3 種類（Mo 型、V 型、“還元コンポーネント”としてのはたらきを担う。

Fe 型）が存在する。これらのニトロゲナーゼを

MoFe タンパク質は、NifD タンパク質と NifK タ

構成するタンパク質が有意な類似性を示すこと

ンパク質のヘテロ 4 量体であり、Fe タンパク質から、共通の祖先酵素から進化した一種のアイソからの電子を利用して窒素の還元反応の場とな

フォームと理解することができる。このうち、る活性部位をもつ“触媒コンポーネント”である。
この一連の電子伝達反応を担うのは、これらのコ
ンポーネントに保持された３つの金属クラス‡

解説特集「光合成色素代謝と光化学系構築のダイナミックなターである。Fe タンパク質には１つの[4Fe-4S]関係」	
 クラスター、MoFe タンパク質には一対の P クラ

*連絡先 E-mail: fujita@agr.nagoya-u.ac.jp204

光合成研究	  26 (3) 2016

図 1. Mo 型 ニト ロゲ ナー ゼ の構 造と その 金 属ク ラス タ ーの 配置
A. Mo 型ニトロゲナーゼ複合体の立体構造。Mo 型ニトロゲナーゼでは、還元された Fe タンパク質から MoFe
タンパク質への電子伝達の際に、一時的な Fe タンパク質-MoFe タンパク質複合体が形成される。B. Mo 型ニ
トロゲナーゼ複合体内の３つの金属クラスター（[4Fe-4S]、P クラスター及び FeMo-co）と ATP（ここでは非加水分解性アナログ ADP-AlF4–）の立体配置および電子伝達経路。タンパク質部分を薄く表示している。

スター（[8Fe-7S]）と鉄モリブデンコファクター

多様な分子機構（高い呼吸活性や防御タンパク質（FeMo-co; [Mo-7Fe-9S-C-ホモクエン酸]）とよばなど）を有する。

れる複雑な金属中心を有し、Fe タンパク質の	  シアノバクテリアの約半数の種が窒素固定能[4Fe-4S]クラスターからの電子は、P クラスターを有するとされている 7)。光合成により細胞内でを経由して FeMo-co に送られ、FeMo-co 上で N2酸素が発生することから、外環境からの酸素のみ

4)の還元反応が進行する 。

ならず内生の酸素に対しても何らかの防御が必	  これらの金属クラスターは酸素によって速や要となるはずである。窒素固定性シアノバクテリ

かに分解されるため、酸素曝露で Fe タンパク質

アは、窒素固定と光合成の両立という“酸素パラが 30 秒、MoFe タンパク質が 10 分程度の半減期ドクス”をどのように解決しているのだろうか。

5)で不活性化されてしまう 。この高い酸素感受性

一つの戦略は、細胞分化による空間的分離である。

が、ニトロゲナーゼの大きな特徴となっている。

Anabaena sp. PCC 7120 を始め Section IV と V に分類される糸状性シアノバクテリアは、ヘテロシ

2. 窒 素 固 定 性 シ ア ノ バ ク テ リ ア と 酸 素 パ ラ

ストと呼ばれる窒素固定に特化した細胞を分化ドクスすることで、光合成による内生酸素と外界の酸素	  窒素固定を行う生物は原核生物に限られ、系統からニトロゲナーゼを防御している（図 2A）8)。

的には多様な分類群に分散して分布する（例外的

もう一つの戦略は、窒素固定を夜間に限定するこに、真核藻類である珪藻が spheroid body とよばとで光合成と分離するという時間的分離である。

れるシアノバクテリアに由来する細胞内共生体

この戦略は、ヘテロシストを分化しない窒素固定

により窒素固定を行う例が報告されている

6)性シアノバクテリアである Synechococcus 	  9,10)	
 ）。

ニトロゲナーゼが酸素に高い感受性を示すこと

やCyanothece11)、 Leptolyngbya

boryana12)

から、好気的もしくは微好気的環境で窒素固定を(Plectonema boryanum)（図 2B） などで報告され行う生物は、ニトロゲナーゼを酸素から防御するている。Synechococcus の示す昼間光合成、夜間205

光合成研究	  26 (3) 2016

図 2. ２ 種類 の代 表的 な 窒素 固定 性シ ア ノバ クテ リ ア
A. Anabaena sp. PCC 7120 は窒素枯渇条件で窒素固定に特化した細胞ヘテロシスト（赤い矢印）を分化する。
B. Leptolyngbya boryana は、ヘテロシストを分化することなく、一様な細胞からなる糸状体を形成し、嫌気的環境下で窒素固定的に生育する。

窒素固定という概日サイクルは、シアノバクテリスに対する疑問でもあった。そこで、2010 年頃

アの生物時計研究の契機となったことで有名でから L. boryana を用いて窒素固定の研究を始めある。また、野外の微生物マットで生育するシア

ることにした。

ノバクテリアの観察から、窒素固定活性は、光合	  なお、L. boryana を窒素固定的に生育させるた成活性が低下する日暮れと明け方に大きなピー

めには、接種した寒天培地を、Gas Generating

13)。これは、ニAnaerobic System (Oxoid) と と も に 密 閉 容 器

トロゲナーゼの稼働に要する還元力と ATP が、（GAS-PAK, BD Biosciences）に入れて、光照射

夜間の呼吸のみでは十分ではなく、ニトロゲナー下で培養を行う 18) 。この容器内の酸素は、Gas

ゼを破壊しない程度の低レベルの光合成が重要

Generating Anaerobic System で生成する水素とパなはたらきを担っていることを示唆している。

ラジウム触媒の作用で水に変換されて除去され、	  これまで、シアノバクテリアを用いた窒素固定

容器内は数時間で嫌気的条件となる。光合成で生の研究の多くは、Anabaena sp. PCC 7120 のヘテロ成する酸素は、細胞から出ると速やかに除去されシスト分化に焦点を当てて展開され、その結果、るが、細胞内での酸素の生成は続くため、細胞はヘテロシスト分化を制御する精緻な情報伝達

微好気（micro-oxic）条件におかれていると推察

クを示すことが報告されている

ネットワークが明らかにされつつある

14)

。もち

される。本稿では、この条件を「嫌気」条件と呼ろん、窒素固定遺伝子（nif 遺伝子）群の発現もぶ。また、「低酸素」は、酸素レベルが 3％程度

その細胞分化ネットワークに含まれているが、意以下の状態を想定している 17)が、実際にどの程外なことに nif 遺伝子群の転写を直接制御するタ度の酸素レベルでシアノバクテリアの CnfR やンパク質は未同定のまま残されていた。

ChlR が活性化され nif や chlAII 遺伝子の誘導を引	  筆者は、1991 年に L. boryana においてニトロ

き起こすのかについての定量的根拠はまだ報告

ゲナーゼの構造遺伝子 nifH を含むゲノム断片のされていない。これに対して、「好気」条件は、塩基配列を決定し15)、nifH 遺伝子の破壊を指標に形質転換系を確立した

16)

大気下で培養を行ったことを示す。

。その後、このシアノバクテリアを用いて、主にクロロフィル生合成

3. L. boryana の窒素固定遺伝子クラスター系の研究を展開してきたが、その過程で、ニトロ	  窒素固定の研究を始めた時点で L. boryana のゲナーゼと構造的に類似し、やはり酸素に脆弱な

ゲノムは未決定であったため、以前に塩基配列を暗所作動型プロトクロロフィリド還元酵素が、ど決定していた nifH 断片から染色体歩行により隣のようにシアノバクテリアの細胞において作動接する遺伝子群の塩基配列決定を行った。その結17)。

果、nif 遺伝子およびその関連遺伝子が 50 個も集

これは、まさに光合成と窒素固定の酸素パラドク

積した約 50 kb におよぶゲノム領域を見出したできるのか、という疑問をもつようになった206

光合成研究	  26 (3) 2016

図 3. L. boryana の nif 遺 伝子 クラ スタ ー と欠 損株 の形 質 18)
A. L. boryana の nif 遺伝子クラスターは、nifB と nifP の遺伝子間領域で左右に二分される（青い点線矢印）。
遺伝子破壊株の形質（B）から、窒素固定に必須の遺伝子を赤、文献情報から必須と推察される遺伝子をオレンジ、窒素固定に重要な遺伝子を黄色、窒素固定に必須ではない遺伝子を灰色、窒素固定に対する役割が未確定の遺伝子を白で示した。B. 単離された遺伝子破壊株（NK1〜NK11）の生育（a. 好気・窒素充分条件、
b. 嫌気・窒素充分条件、c. 嫌気・窒素枯渇条件）とニトロゲナーゼ活性（アセチレン還元活性）。Nif – は窒素固定的生育ができない、Nif S は窒素固定的生育が有意に遅い、Anox– は b, c 両条件で生育できない（嫌気条件で生育ができない）形質を示す。

（図 3A）。この遺伝子クラスターは、nifB と nifP

ターン形成が異常になるという形質から見つの遺伝子間領域で転写方向が両方向に二分されかった遺伝子であるが、長くその具体的な機能にている。nifB を先頭とする右半分には、ニトロゲ

ついては明らかにされていなかった 19,20)。ヘテロ

ナーゼの３つの構造遺伝子 nifH、nifD、nifK を含

シストを形成しない L. boryana にこのホモログ

む 9 個の nif 遺伝子とフェレドキシンの遺伝子が見つかったことから、patB は窒素固定性シア

fdxN が並び、その下流には転写制御タンパク質

ノバクテリアに共通した機能を有するかもしれの遺伝子 patB (cnfR)、シトクロム酸化酵素の遺伝ない、と考えた。そこで、patB 単独欠損を含め、

子 coxB2、coxA2、coxC2 が見つかった。nifP を先一つもしくは複数の遺伝子を欠損させた変異株

頭とする左方向のクラスターには、nifE と nifNを 11 株単離し、窒素固定的生育と in vivo でのニを始めとする 5 個の nif 遺伝子、2 つのフェレド

トロゲナーゼ活性を評価した（図 3B）。その結果、キシンの遺伝子 fdxB と fdxH、モリブデン輸送体

4 株は窒素固定的生育能を失っており、2 株は窒をコードする mod 遺伝子群、もう一つの転写制

素固定的生育が有意に低下していた。このうち、

御タンパク質の遺伝子 chlR、さらにその下流にはニトロゲナーゼの構造遺伝子の欠損株 NK1 と嫌気的代謝に関わる遺伝子群が見つかった

18)

patB 欠損株 NK4 は、ニトロゲナーゼ活性がまっ。

たく検出されないという最も重篤な形質を示し
4. nif 遺伝子群の発現を制御する CnfR

た。NK4 の形質の原因を探るべく、nif 遺伝子群

	  これら 50 個の遺伝子のうち、9 個は nif 遺伝子の転写物量を調べたところ、NK4 では nif 遺伝子

としてすでに機能が明らかにされているが、その群の転写物がまったく検出されなかった（図 4A）。

他多くの遺伝子は、アノテーションのみが記載さ

この結果は、patB が nif 遺伝子群の発現に必須でれ、それらの生理的役割についての実験的根拠があることを強く示唆するものである。

得られていない状況にあった。特に、patB は、

	  次に、trc プロモーターを連結し patB が構成的

Anabaena sp. PCC 7120 でヘテロシスト分化のパに発現するように構築したプラスミドを NK4 に207

光合成研究	  26 (3) 2016

図 4. cnfR 欠 損株 とそ の相 補 実験 18)
A. nif 遺伝子の転写物量の評価。野生型と NK4 を好気（酸素+）と嫌気（酸素–）および窒素源として硝酸イオン添加（窒素充分）と無添加（窒素枯渇）の 4
条件で処理した後、RNA を調製し、逆転写後、nifE 、
nifP、nifB、nifH、cnfR および rpoA の cDNA 量を
半定量的 RT-PCR によって評価した。B, C. cnfR 欠
損株 NK4 と、その相補株の生育（B）とニトロゲナー
ゼ活性（C）。B. 空ベクターのみ（NK4VC）と N 末
端 Strep タグ付き cnfR を trc プロモーターに連結したベクターで相補した株（NK4CS）を嫌気・窒素充分（硝酸イオン添加）と嫌気・窒素枯渇条件で生育を比較した。C. 相補株（NK4VC と NK4CS）を、嫌気条件下で、窒素充分と窒素枯渇条件でのニトロゲナーゼ活性をアセチレン還元活性として評価した。

導入し、形質の相補を試みたところ、窒素固定的は NtcA の認識配列（TGTA-N8-TACA）が保存さ生育が部分的に相補された（図 4B）。さらに、ニれ て い る 18) 。 ヘ テ ロ シ ス ト を 分 化 し な い L.

トロゲナーゼ活性を調べたところ、窒素固定条件

boryana を使うことで、転写制御タンパク質 CnfRでは活性が 30%程度まで回復していた（図 4C）。

が nif 遺伝子群の発現を活性化するアクティベー

さらに驚いたことに、硝酸イオン存在下（嫌気条ターであることを明らかにすることができた。な件）においても低いながら有意なニトロゲナーゼ

お、cnfR はすべての窒素固定性シアノバクテリア

活性が認められた。nif 遺伝子群は、硝酸イオンで保存されており、CnfR 転写制御系はヘテロシ存在下では決して発現しないように厳密に制御

スト分化型のシアノバクテリアでも nif 遺伝子群されていることから、この活性検出は、patB 遺の誘導に主要な役割を果たしている 24)。

伝子が nif 遺伝子群の発現を直接誘導する転写活性化タンパク質をコードすることを強く示唆す5. CnfR による nif 遺伝子群の転写活性化に対るものであった。これらの結果から、私たちは、する cis 配列の同定

patB と 呼 ば れ て い た こ の 遺 伝 子 に cnfR	  nif 遺伝子クラスターの特徴から、nif 遺伝子群

(cyanobacterial nitrogen fixation regulator) というの転写は、nifB と nifP の遺伝子間領域から両方向

機能に基づく名称を付与することにした

18)

。な

に開始されると推察される。一方、多くの窒素固お、cnfR 自身は、窒素枯渇で誘導される（図 4A）

定性細菌では、nif 遺伝子群の主要なプロモーことから、cnfR の転写は、シアノバクテリアで広ターが、最も発現レベルが高い nifH 遺伝子の上く保存されている窒素同化関連遺伝子の転写制流に存在することが知られている。そこで、窒素

御タンパク質 NtcA

21-23)

によって発現レベルで制固定をしないシアノバクテリア Synechocystis sp.

御されていると推察される。実際、cnfR の上流に

PCC 6803 において、trc プロモーターに連結した

208

光合成研究	  26 (3) 2016

図 5. Synechocystis sp. PCC 6803 での cnfR と nif プ ロモ ータ ーに よる レ ポ ータ ー 系 と CnfR に よ って 認識 され る cis 配 列 27)
A. nifB、nifP 及び nifH の上流配列（塩基数としてカッコ内の数字で示す）を luxAB に連結し、CnfR による転写活性化をルシフェラーゼによる生物発光で評価した。各株
は、好気（酸素+）と嫌気（酸素–）および窒素源として硝酸イオン添加（窒素充分）と無添加（窒素枯渇）の 4 条件（１〜４）で処理し、生物発光を検出した。B. CnfR によって認識される cis 配列は、窒素固定性シアノバクテリアでよく保存された比較的長い配列である。
便宜的にモチーフ I〜IX（さらに上流に見つかったモチーフを 0 とした）に分割し、L. boryana の nif 遺伝子群の発現に必須のモチーフを下段に示す。nifB および nifP プロ
モーターの短縮実験で示された
192 bp および 114 bp 領域を破線で示した。

cnfR をエフェクターとし、ルシフェラーゼ遺伝子による nifB 及び nifP プロモーターの転写活性化

luxAB をレポーターするレポーターアッセイ系をが非窒素固定性シアノバクテリアでも作動する

構築し、プロモーター活性を評価することにした。

ことを示しており、さらに、CnfR は嫌気（もしプロモーター候補として、nifB 上流配列（1,223 bp,

くは低酸素）と窒素枯渇を感知する転写活性化タ

PnifB）、nifP 上流配列（1,225 bp, PnifP）およびンパク質であることを強く示唆している。

nifH 上流配列（471 bp, PnifH）を luxAB に連結し	  CnfR は、534 アミノ酸残基からなる、比較的た一連の形質転換体を単離した（図 5A）。これら

大きな転写制御タンパク質であり、C 末端にヘの形質転換体を、嫌気・窒素枯渇条件で処理する

リックス・ターン・ヘリックス型 DNA 結合ドメと、PnifH-luxAB 株ではまったく生物発光が検出

イン、N 末端に鉄硫黄クラスターを保持するためされなかったが、PnifB-luxAB 及び PnifP-luxAB 株の 4 個のシステイン残基を含むモチーフを２つは高い生物発光が認められた。このことから、nif（CxxCxxCxxxCP と CxxCx8CxxxC）有する 20)。

遺伝子クラスターの主要なプロモーターは

CnfR が、低酸素を感知するしくみとして、N 末

nifB-nifP 遺伝子間領域に両方向に存在すること

端ドメインでの鉄硫黄クラスター形成が何らかが示唆された。また、nifH 上流（今回調べた断片）の構造変化を引き起こし、CnfR 分子を活性型にには有意なプロモーターはなさそうである。この変換するという可能性が考えられる。このようなプロモーターの様態は、Anabaena variabilis ATCC

鉄硫黄クラスター形成を介して酸素を感知する

29413 でも報告されている

25)

転写制御メカニズムとして大腸菌の FNR タンパ。

	  PnifB-luxAB 及び PnifP-luxAB 株の有意な生物発ク質などが知られている 26)。また、この転写活

光は、好気条件や硝酸イオン添加（窒素充分）条性化には、窒素枯渇のシグナル受容による何らか

件では検出されず、嫌気条件かつ窒素枯渇条件での構造変化も必要なようである（図 5A）。すなわ

のみ観察された（図 5A）。これらの結果は、CnfR

ち、CnfR は、低酸素と窒素枯渇という２つの環

209

光合成研究	  26 (3) 2016
境要因を感知するデュアルセンサーであると推酸素条件でも滞ることがないように、低酸素を感察される。

知して、３つの低酸素型酵素の遺伝子クラスター	  nif 遺伝子クラスターの主要プロモーターが存（chlAII-ho2-hemN）の発現を誘導するアクティ

在する nifB-nifP の遺伝子間領域は、1,255 bp とかベーター型の転写制御タンパク質である 28-30)。クなり長い。そこで、次に CnfR による転写活性化

ロロフィル・ヘム・ビリン生合成系には、反応にに要する cis 保存配列を明らかにしようとした。

酸素を要求する酵素が 3 つ存在する（図 6Ａ）。

このために、まず、L. boryana において nifB と nifP

それらは、コプロポルフィリノーゲン III 酸化酵の転写開始点を各々翻訳開始コドンから 279 bp

素（HemF）、Mg-プロトポルフィリン IX モノメ

及び 39 bp 上流のアデニンと決定した

27)

。続いて、

チルエステル (MPE) シクラーゼ（ChlAI）およ

上記の Synechocystis sp. PCC 6803 のレポーター系

びヘムオキシゲナーゼ（HO1）である。これら好を利用して、nifB 及び nifP の上流配列を短縮した

気型酵素は、低酸素環境では酸素不足で活性が低一連のレポーター系の解析により、CnfR による下するため、シアノバクテリアは低酸素環境に応

転写活性化に要する上流配列を、nifB 及び nifP

答して、各活性を補完するために低酸素型酵素の転写開始点の上流の 192 bp と 114 bp の範囲に（各々HemN、ChlAII および HO2）を誘導する。

まで絞り込んだ。これらの配列をクエリーとして、３つの低酸素型酵素の遺伝子は、Synechocystis sp.

互いの類似性さらに他の窒素固定性シアノバク

PCC 6803 では一つのクラスターchlAII-ho2-hemN

テリアの nif 遺伝子上流の配列と比較したところ、を形成しており、ChlR によってその転写が誘導

85〜88 bp の配列およびその 27〜40 bp 下流の 6

される 28,29)。

塩基の配列（GAGTAC）が、高い保存性を示す

	  実際に、L. boryana の推定 chlR が、Synechocystis

ことを見出した（図 5B）。

sp. PCC 6803 の chlR と同様の機能を果たすオル	  この配列は、全長 121〜134 bp にわたる比較的

ソログかどうかを確認するために、L. boryana の長い配列であるため、便宜的にモチーフ I〜IX と

chlR 欠損株 NK11 を単離し、その生育とクロロ

いう 9 つのモチーフに分割し、各モチーフの重要

フィル量を確認した。NK11 は、窒素固定条件（嫌性を、塩基置換や削除した配列をもちいたレポー

気・窒素枯渇条件）も含め嫌気条件下（硝酸イオ

ター系により検討した。その結果、6 つのモチー

ン添加条件）で生育できないという、Synechocystis

フ（III, IV, VI, VII, VIII 及び IX）が必須であるこ

sp. PCC 6803 の chlR 欠損株（∆chlR）と同じ形質

27)。また、モチーフ I と VI の間、を示した（図 3B）。この形質は、クロロフィル含

VI と IX の間に TACT---AGTA という短い回文配量が大幅に低下しているという点でも一致して列が認められ（図 5B）、CnfR の結合に関与していた。さらに、HPLC により蓄積する色素を分析いる可能性がある。さらに、実際に CnfR が結合した結果、NK11 では野生株では検出されない多する最小エレメントを決定するため、CnfR とくのクロロフィル生合成中間体（プロトポルフィ

DNA との結合に関する生化学的解析を進めていリン IX、Mg-プロトポルフィリン IX、MPE、3,8-る。

ジビニルプロトクロロフィリド、プロトクロロとが示唆された

フィリドおよび MPE から Mg が脱離した色素）
6. クロロフィル生合成と窒素固定：転写制御が蓄積していることがわかった（図 6A）。蓄積すタンパク質 ChlRる各中間体色素の比率は若干異なるが、その組成	  L. boryana の nif 遺伝子クラスターの解析におは、Synechocystis sp. PCC 6803 の∆chlR とよく一ける、もう一つの興味深い発見は、この遺伝子ク致している 31)。

ラスターにクロロフィル生合成を制御する転写	  nif 遺 伝 子 ク ラ ス タ ー の 解 析 と 並 行 し て L.

制御タンパク質 ChlR の遺伝子が含まれていたこ

boryana の ゲ ノ ム の 解 読 を 進 め た 結 果 18,32) 、とである。ChlR は、Synechocystis sp. PCC 6803 にSynechocystis sp. PCC 6803 と同じく、ChlR が発現

おいて、クロロフィル・ヘム・ビリン生合成が低誘導するターゲット chlAII-ho2-hemN 遺伝子クラ210

光合成研究	  26 (3) 2016

図 6. NK11 の 色素 分析 と ChlR に よっ て誘 導さ れ る遺 伝子 クラ ス ター 18,30)
A. NK11 を嫌気条件で一定時間処理後、色素を抽出し HPLC により分離した。色素の溶出は、630 nm の蛍光（430 nm 励起）で検出した。NK11 に特異的な多数のピークが検出され、それらのほとんどはすでに
Synechocystis sp. PCC 6803 の∆chlR 株で同定された色素中間体と一致した。右側に、クロロフィル・ヘム・ビリン生合成系と各ピークの対応を示す。生合成系で、2 つの酵素が併存する 4 つの段階において、好気条件下
で必須の酵素を赤、低酸素で誘導される酵素を青で示した。HPLC プロファイルにおいて、11.5 分の赤の→は、
22.2 分に溶出されるクロロフィル a のピークをレンジ内に収めるために、検出器の感度を 10 倍程度低下させていることを示す。B. L. boryana、Synechocystis sp. PCC 6803 および Synechococcus sp. PCC 7002 における、ChlRにより誘導される遺伝子クラスターchlAII-ho2-hemN の保存性。

スターが L. boryana でも保存されていることが素条件でも滞ることがないように、低酸素に応答

明らかとなった（図 6B）。低酸素条件で処理した

して chlAII-ho2-hemN 遺伝子クラスターの発現を

NK11 ではこれらの遺伝子群の転写物が検出され誘導する。その作用で、これらテトラピロール色

ないことから、L. boryana においても ChlR は素群の供給が維持され、光合成と呼吸の活性を支

chlAII-ho2-hemN 遺伝子クラスターの発現を低酸

え、ニトロゲナーゼを駆動するための還元力と素条件に応答して誘導していることが示唆されATP が充分に供給されると推察される。このよた。したがって、nif 遺伝子クラスターの chlR は、

うに、筆者がこれまで行ってきたクロロフィル生

Synechocystis sp. PCC 6803 で同定された chlR のオ

合成系の研究が、窒素固定の酸素パラドクスの統ルソログであると結論した。

御という観点で、窒素固定遺伝子クラスター上で	  ChlR は、構成的に発現しており、クロロフィ

収斂することとなったのは、望外の喜びであった。

ル・ヘム・ビリン生合成系が窒素固定を行う低酸211

光合成研究	  26 (3) 2016
7. ChlR の低酸素感知機構

スターの保持によって低酸素を感知していると	  では、ChlR はどのようにして低酸素を感知しいう点で、ChlR は CnfR と共通しているのかもしているのだろうか？ChlR は、原核生物に広く分れない。

布する MarR 型転写制御タンパク質ファミリーに属する。枯草菌の OhrR は、このファミリーの代

8. まとめと今後の展望

表的なタンパク質としてよく研究されている。

	  これらの結果を統合すると、L. boryana におけ

OhrR は、通常の条件下で DNA に結合し下流のる光合成と窒素固定の酸素パラドクスの統御の遺伝子の発現を抑制するリプレッサーである。酸

一端が明らかとなった（図 7）。ニトロゲナーゼ

化ストレスとして脂質の酸化によって生じる有が不活性化されてしまう好気的環境下では、

機ヒドロキシペルオキシドを感知すると、DNA

CnfR が不活性型にとどまりニトロゲナーゼは作から遊離し、その下流のチオールペルオキシダーられない。環境の酸素レベルが一定以下になると、

ゼ（有機ヒドロキシペルオキシドを分解する）を光合成で酸素を生成しても細胞内の酸素濃度は

33)

。有機

十分低く保たれ、CnfR 上で[4Fe-4S]クラスターがヒドロペルオキシドは、OhrR の保存されたシス形成される。これが CnfR の構造変化を引き起こ

テイン残基がスルフェン酸（-SOH）へと変換さ

し活性化され、プロモーター上流の cis 配列に結れることによって感知され、DNA 結合ドメイン

合 し 、 RNA ポ リ メ ラ ー ゼ を リ ク ル ー ト し 、に構造変化を引き起こし、DNA から解離し、下nifB-nifP 領域から両方向への転写が始まり、ニト

コードする遺伝子の発現が誘導される流の遺伝子発現を誘導すると考えられている

34)。

ロゲナーゼが作られる。なお、ニトロゲナーゼがChlR においても、N 末端付近のシステイン残基必要とされない窒素十分条件では、cnfR の転写が（ Synechocystis sp. PCC 6803 で は Cys25 、 L.

抑制されているため、単に嫌気条件だけでは nifboryana では Cys20）の保存性が認められること

遺伝子の発現は誘導されない。また、CnfR 自身

から、この残基が好気条件ではスルフェン酸なども、完全に活性化されるためには、嫌気条件に加何らかの酸化修飾を受け、これが酸素レベル低下

え、何らかの窒素枯渇シグナル受容を必要とする。

に伴って SH 基へと還元変換されることで低酸素

すなわち、nif 遺伝子の誘導は、cnfR の発現と CnfRを感知しているかもしれない

28)。

タンパク質の活性化という二段階で制御されて	
  別のシアノバクテリア Synechococcus sp. PCCいる。

7002 において、アメリカの研究グループが私た	  一方、もう一つの転写制御タンパク質 ChlR は、

ちとは独立に chlR を同定した

35)。Synechococcus

CnfR とは独立して構成的に発現しているが、こsp. PCC 7002 では、chlAII-ho2-hemN オペロンのすちらも好気条件では[4Fe-4S]クラスターが形成さ

ぐ上流に逆方向に chlR 遺伝子がコードされていれず不活性型に留まる。嫌気条件になると始めてる（図 6B）。彼らは、ChlR が嫌気条件下で[4Fe-4S][4Fe-4S]クラスター形成を介して活性化され、クラスターを保持していることを示している。こchlAII-ho2-hemN 遺伝子クラスターの転写を活性のことから、ChlR は [4Fe-4S]クラスターが形成化する。その結果、低酸素環境下でも ChlAII、HO2されることで嫌気条件（低酸素条件）を感知しておよび HemN の活性によりクロロフィル a・ヘ

活性化され、DNA と結合して転写を誘導する。

ム・ビリン色素が滞りなく作られ、光合成により一方、好気条件では、この[4Fe-4S]クラスターが十分な還元力と ATP が供給され、ニトロゲナー

分解もしくは[2Fe-2S]クラスターに変換されるこゼが稼働し、窒素固定的生育が可能となる。

とで不活性化状態となり DNA との結合能を失う、

	  ChlR が発現誘導する３つの酵素のうち、HemNというモデルを提唱している。私たちも、大腸菌

は酸素に脆弱な[4Fe-4S]クラスターを有するラジで大量発現させた Synechocystis sp. PCC 6803 の

カル SAM 酵素である。このことから、CnfR とChlR が、[4Fe-4S]クラスターに特徴的な吸収スペ

ChlR はいずれも、細胞内の酸素レベルが、ニト

クトルを示すことを確認している。[4Fe-4S]クラロゲナーゼや HemN の金属クラスターに障害が212

光合成研究	  26 (3) 2016

図 7. L. boryana に おけ る nif 遺 伝子 クラ スタ ー の発 現制 御機 構 18)
L. boryana の nif 遺伝子クラスターの主要なプロモーターは、
nifB-nifP 間に両向きに存在し、各々の上流に CnfRが認識する cis 配列（転写方向を示す青い矢印の根元の青いドット）を伴う。嫌気（もしくは低酸素）と窒素枯渇という両条件が CnfR に感知されると、活性型となった CnfR により転写が誘導され、ニトロゲナーゼが作られる。nif 遺伝子クラスターには、CnfR が作用する cis 配列が orf118 の上流にも存在する。一方、低酸素
は、構成的に発現している ChlR によっても感知され、クロロフィル生合成系の低酸素型酵素群をコードする
chlAII-ho2-hemN 遺伝子クラスターの転写を誘導する。その結果、低酸素環境でもクロロフィル・ヘム・ビリ
ン色素が滞りなく生合成され、光合成・呼吸を介して、還元力と ATP が供給され、ニトロゲナーゼの活性が維持される。ニトロゲナーゼ生合成に直接関わる遺伝子をピンク、窒素固定に重要な遺伝子を黄色で、CnfRと ChlR の誘導の作用を赤と緑の→で示す。

生じるレベルかどうかを、酸素に脆弱な[4Fe-4S]するのではないだろうか。この点についても、研クラスターが保持できるかどうかによって感知究を進めているところである。

し、ニトロゲナーゼや HemN を作るかどうかを決定する、と解釈することができる。すなわち、謝辞

酸素に弱い鉄硫黄クラスターをもつ酵素を作る	  本研究は、JST 先端的低炭素化技術開発（ALCA）

か否かを、転写制御タンパク質上で[4Fe-4S]クラ「有用光合成生物への窒素固定移入が導く“窒素スターが作られるかどうかによって決定すると革命”」、新学術領域（研究領域提案型）「光合成いう精妙な分子機構である。ただし、この解釈をの酸素パラドクスを統御する低酸素センサー転裏付ける実験的根拠はまだ十分ではない。また、

写制御タンパク質の作動原理」（15H01397）の一[4Fe-4S]クラスターの保持がどのように転写活性環として行われました。L. boryana の窒素固定の化をもたらすのか、CnfR と ChlR の生化学的研

生理学的解析、分子生物学的解析、CnfR の生化究は始まったばかりである。今後、これらの転写学的解析で、山本治樹・山川壽伯両博士、これら制御タンパク質の低酸素感知と転写活性化の生のテーマで学位論文で研究に取り組んでくれた

化学的機構の解明を進めていく必要がある。

神谷成美・野中葵・小谷弘哉・橋本薫槻・島知世

	  また、シアノバクテリアのニトロゲナーゼにおの各氏に感謝します。

いて、タンパク質レベルでの酸素防御機構が存在213

光合成研究	  26 (3) 2016
Received November 17, 2016; Accepted December 2, 2016;
Published December 31, 2016

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Yuichi Fujita* and Ryoma Tsujimoto
Graduate School of Bioagricultural Sciences, Nagoya University215

光合成研究	  26 (3) 2016

解説	
 光合成生物におけるカロテノイド合成系の進化‡	 日本医科大学	 生物学教室	 高市	
 真一*
光合成細菌からシアノバクテリアや葉緑体への光合成生物の進化を考えると、（バクテリオ）クロロ
フィルの構造や合成、光化学系には類似性や連続性が見られる。一方、カロテノイドは共生や進化段
階が変わるごとに組成や合成経路に大きな変化が見られるので、進化・共生に伴い一部の合成経路を捨てて、一部の合成経路を共生相手とは別の生物から取り込んだと思われる。本解説では、フィトエ
ンからリコペンへの合成経路および酵素、異種のリコペン・シクラーゼの分布などを中心に、光合成生物の進化とカロテノイド合成系の変化について紹介をする。	
 1．はじめに相手とは別の生物から取り込んだと思われる。結	  § 光合成生物にとって、（バクテリオ）クロロ

合タンパクや機能に対して柔軟性が高いためだ

フィルだけでなくカロテノイドも必須の成分で、ろう。本解説ではカロテノイド合成系の変化や進光の捕集、強光からの防御、活性酸素種からの保化について紹介する。ただし、全体像を見るため

護、色素タンパク複合体の形成、などの機能をに、一部の例外的な存在は省略した。

担っている。光合成生物の分類と存在するカロテ
ノイドや酵素を表 1 にまとめた。光化学系 II 型

2. フィトエンからリコペンの合成 1-5)をもつ光合成細菌と光化学系 I 型をもつ光合成細	  フィトエンからリコペンの合成には 4 段階の菌から、酸素発生型のシアノバクテリアができ、不飽和化を必要とする。原核生物ではフィトエン

そのシアノバクテリアが真核生物に一次共生を不飽和化酵素 phytoene desaturase (CrtI) ［注：複して灰色藻類・紅藻類・緑藻類の葉緑体になった数の略語をもつことがある］が担っている。紅色と考えられている。その後の二次・三次共生によ細菌ではこの酵素の機能が確認されている。緑色り種々の藻類や陸上植物が出現したと考えられ

糸状性細菌とヘリオバクテリアには crtI に相同ている。さらに光合成の光化学系を構成するペプ性がある遺伝子 crtI と crtN があるが、どちらもチド、（バクテリオ）クロロフィルの構造や生合機能がまだ確認されていない（表 1）。紅色細菌

成経路、三次構造には、進化軸で見ると、一部のRhodobacter などはニューロスポレンからスフェ

成分の置き換えはあるが、類似性と連続性が見らロイデンなどを合成する。これは CrtI が最後の 4れる。早い時期に三次元構造が決まり変化の余地

段階目の不飽和化をできないため、リコペンではが少なかったのであろう。一方、カロテノイドはなくニューロスポレンが最終産物のためである。

生物分類ごとに一部に共通性は見られるが、共生

ヘリオバクテリアでは鎖状の C30-ジアポニュー段階などが変わるごとに組成に大きな変化が見ロスポレンが最終産物である 6)。シアノバクテリられる。従って、進化や共生に伴い一部のカロテ

アの中では、原始的な Gloeobacter violaceus のみ

ノイド合成経路を捨てて、一部の合成経路を共生

CrtI を使うが、他のカロテノイド合成酵素はシア
ノバクテリアと共通性がある 7)。
	  原核生物において、緑色硫黄細菌とシアノバク‡

解説特集「光合成色素代謝と光化学系構築のダイナミックなテリアのみ葉緑体と同様に、フィトエンからζ-関係」	
 カロテンまでをフィトエン不飽和化酵素*連絡先 E-mail: takaichi@nms.ac.jp216

光合成研究	  26 (3) 2016
表 1： 光合 成生 物の 分 類と カロ テノ イ ド 1-5)
光化学系

光合成生物

フィトエンから

リコペン・シク

リコペン

ラーゼ

紅色細菌 1C40-鎖状

CrtI

CrtY

緑色糸状性細菌

β,γ-カロテン

CrtI?

CrtY?

ヘリオバクテリア

C30-鎖状CrtN (CrtI-type)?

non

緑色硫黄細菌β,γ-カロテン

CrtP/Q/H + Z-iso?

CruA/P

II+I 型

シアノバクテリア

β,γ-カロテン

CrtP/Q/H + Z-iso?

CruA/P?

(酸素発生型)

葉緑体

β,α-カロテン

CrtP/Q/H + Z-iso

CrtL

II 型

I型

1

カロテノイド型

カロテノイド合成遺伝子はクラスターを形成

phytoene desaturase (CrtP, Pds)［注：CrtI と同じ酵

コペンをγ-カロテン、β-カロテン、α-カロテン

素名であるが、機能は異なる］が、ζ-カロテンに環化して、さらに修飾を加える（表 1、図 2）。

からリコペンまでをζ-カロテン不飽和化酵素	  リコペン・シクラーゼ lycopene cyclase として 3

ζ-carotene desaturase (CrtQ, Zds)が各々2 段階ずつ

種類の酵素が知られている：細菌 CrtY と葉緑体不飽和化する。さらに CrtQ の反応に伴い合成さ

CrtL、CruA/CruP、一部の細菌 CrtYc+Yd とアーれるポリシス型のニューロスポレンとリコペン

キア CrtYcd と菌類 CrtYB。CrtY と CrtL にはあるを、カロテン異性化酵素 carotene isomerase (CrtH,

程度の相同性が見られるので同一グループと考

CrtISO)あるいは光照射によりトランス型に変換えているが、Bryant らは 2 つに分けた 9)。リコペ

する。植物においてはポリシス-ζ-カロテンをモ

ンの片方を環化したγ-カロテンしかつくれない

ノシス-ζ-カロテンに変換するζ-カロテン異性

CrtYm と CrtLm もあるが、CrtY や CrtL の変異と8)化酵素ζ-carotene isomerase (Z-iso)も必要である 。

考えられる。

それに相同性のある遺伝子が緑色硫黄細菌とシ	  紅色細菌である好気性光合成細菌の一部はβ-アノバクテリアにも存在するが、機能確認はされカロテンを CrtY により合成する。緑色糸状性細ていない（表 1）。

菌も crtY に相同性がある遺伝子をもっているが、	  crtP, crtQ, crtH は crtI に低い相同性があるので、まだ機能解析がなされていない。

crtI が変化したのかもしれない。この 4 酵素によ	  藻類や陸上植物では、リコペンの両端をリコペ

るリコペン合成経路は、緑色硫黄細菌からシアノ

ン-β-シクラーゼ (CrtL-b, Lcy-b) がβ末端基にバクテリアに、さらに藻類や陸上植物の葉緑体にしてβ-カロテンがつくられる。一方、α-カロテ

引き継がれたと考えられる。ただし細菌においてンは、基質特異性のために先ずリコペン-ε-シク

1 酵素が担っていた反応を、緑色硫黄細菌やシアラーゼ (CrtL-e, Lcy-e) がε末端基を合成して、ノバクテリアや葉緑体では 4 酵素に分割し複雑

次いで反対側を CrtL-b がβ末端基にして合成さ化した原動力やメリットがどこにあったのかはれる 10)。2 つの酵素は相同性が高く、CrtL-b から不明である。

CrtL-e ができたと考えられている。α-カロテンとその誘導体は紅藻類、クリプト藻類、緑藻類、

3. リ コ ペ ン の 環 化 （ β -カ ロ テ ン 、 α -カ ロ テン合成）

陸上植物に限られ、光合成細菌、2 属を除くシア

1-5)

ノバクテリア 11)、褐藻類には見られない。

	  紅色細菌はリコペンを鎖状のまま修飾してス	  光合成細菌と葉緑体の間に位置するシアノバ

ピリロキサンチンなどを合成する（図 1）。紅色

クテリアのリコペン・シクラーゼは未だに機能解細菌とヘリオバクテリア以外の光合成生物はリ析が充分なされていない。最初に Synechococcus

217

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図 1. 紅 色光 合成 細菌 の カロ テノ イド と 合成 経路 1,3)

sp. PCC 7942 の CrtL (1994 年 ) 、 次 い でじ酵素が別の経路でも働いている。

Prochlorococcus marinus の CrtL (2003 年)の機能が確認された。近年見いだされた酵素である CruA

5. 緑 色 硫 黄 細 菌 と 緑 色 糸 状 性 細 菌 の カ ロ テ

が緑色硫黄細菌 Chlorobaculum tepidum、CruA とノイドと合成系 1)

CruP が Synechococcus sp. PCC 7002 (2007 年)で機	  緑色硫黄細菌と緑色糸状性細菌の合成するカ9)。最近、Arthrospira platensis にロテノイドとその合成経路は十分に解析されておいても CruA が機能確認された（未発表）。crtLいない。緑色硫黄細菌 Chlorobacula tepidum はあるいは cruA/cruP に相同性のある遺伝子が多く

OH-γ-カロテン・グルコシド・エステル、OH-のシアノバクテリアのゲノム上に存在するが、機クロロバクテン・グルコシド・エステル、1,2-ジ

能確認できていない。cruA/cruP がリコペン・シ

ヒドロ-γ-カロテンなどをもつ 12)。一部の合成酵

クラーゼの有力な候補と思われるが、機能確認が素・遺伝子は機能解析された 13)。また一部の種できないのは、酵素の機能発現の技術的な問題か、はβ末端基を芳香環にしたイソレニエラテンを

コファクターあるいは別のペプチドをさらに必も つ 。 一 方 、 緑 色 糸 状 性 細 菌 Chloroflexus

要とするのか、あるいは未知の別の酵素の存在、

aurantiacus は OH-γ-カロテン・グルコシド・エなどの理由が考えられているが、今後の問題であステルなどをもち 14)、合成酵素は解析されてい

る。

ない。

能が確認された4. 紅 色 細 菌 の カ ロ テ ノ イ ド と 合 成 経 路 の 多様性6. 酸 素 発 生 型 光 合 成 生 物 の カ ロ テ ノ イ ド と1,3)合成経路 1,2,4,5)

	  紅色細菌のカロテノイドには多様性が見られ	  シアノバクテリア、灰色藻類、紅藻類、緑藻類、るが、合成酵素の基質特異性の差異により合成経

褐藻類、陸上植物など酸素発生型光合成生物の主路に多様性が生じたと考えられる（図 1）。上記

なカロテノイド合成経路を図 2 にまとめた。中央のように CrtI の性質の違いがスフェロイデン経の経路から左右に枝分かれした経路があり、これ路とスピリロキサンチン経路を作り出し、また同らは生物の系統分類に関係している。

218

光合成研究	  26 (3) 2016

図 2： 酸素 発生 型光 合 成生 物の 主要 な カロ テノ イ ド合 成経 路と 酵 素 4,5)	  シアノバクテリアはβ-カロテン誘導体のみをと思われる。紅色細菌のスフェロイデン・モノオ

もち、水酸化やケト化により図 2 の右上のエキネ

キシゲナーゼ spheroidene monooxygenase (CrtA)、

ノンやノストキサンチンを合成し、さらにシアノ

褐藻類のフコキサンチンや緑藻類のシフォナキ

バクテリアに特有なγ-カロテン誘導体のミク

サンチンのケト基合成酵素もお互いに相同性がソール配糖体をもつ。ただしゼアキサンチンからなく、由来が不明である。陸上植物にはケト化酵

先のエキネノンやノストキサンチンの合成経路素がない。

は、葉緑体に引き継がれなかった。

	  シアノバクテリアが一次共生した灰色藻類は、

	  シアノバクテリアにはケト化酵素として、互い

ゼアキサンチンまでしか作ることができない。

に相同性のないβ-カロテンケトラーゼ

	  シアノバクテリアが一次共生した紅藻類は、存

β-carotene ketolase が 2 種類存在する(CrtO, CrtW)。

在するカロテノイドから、ゼアキサンチン-、アAnabaena sp. PCC 7120 ではこれらの酵素が働く

ンテラキサンチン-、ルテイン-タイプに分けられ、。CrtO は Dinococcus などで、紅藻類の中の系統分類に対応している 16)。ただCrtW は Paracoccus などで機能確認されており、し、シアノバクテリアには見られないε末端基

これらの遺伝子をシアノバクテリアが獲得した（ルテイン）はクリプト藻類にも見られる。また代謝経路が異なる

15)219

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エポキシ基（アンテラキサンチン）は褐藻類だけ大きな変化が起きたためで、その時に一部の合成でなく緑藻類・陸上植物にも見られるが、酵素・経路を捨てて、一部の合成経路や遺伝子を共生相遺伝子の由来は不明である。

手とは別の生物から取り込んだためと思われる。

	  紅藻類が二次共生をした種々の褐藻類のカロ	  紅色細菌のカロテノイド合成遺伝子はクラス

テノイドには、アレン基 (C=C=C) をもつジアジ

ターを形成しているが、他の光合成生物のカロテ

ノキサンチン、フコキサンチン、ペリジニンなど

ノイド合成遺伝子はゲノム上に点在している。そがある。アレン基は生体物質としてはカロテノイのため遺伝子の相同性からは限られた遺伝子のドに特有の基である。陸上植物ではビオラキサン

みしか見つけられない。また遺伝子に相同性がチンからネオキサンチンを合成し、アレン基を作あってもその機能を持たない例もある。その結果、るネオキサンチン合成酵素 neoxanthin synthase

遺伝子や酵素が未だに判らない合成段階も多い。

(Nsy) が知られている。褐藻類ではネオキサンチ

光合成生物だけでなく、他のカロテノイド合成生ンが検出されないことが多いが、化学構造を比較

物を含めて、系統分類とカロテノイド合成遺伝子

するとアレン基をもつカロテノイドは、trans-ネ

や酵素との関係をさらに検討する必要がある。

オキサンチンから合成されると思われる（図 2）。

	  詳しくは書籍 1)や総説 2-5)を参照して欲しい。

ただし系統分類や進化を考えると、どこでこのまた最近の情報は光合成事典（Web 版）にもま

Nsy 遺伝子を獲得し、どのように伝わったかは不とめられている。

明である（図 2）。
	  紅藻類が二次共生をしたクリプト藻類には、ア

謝辞

セチレン基 (C≡C) をもつアロキサンチンなどが	
  多くの光合成生物のカロテノイドの分析や解ある。褐藻類に見られるジアジノキサンチンなど析をできたのは、多くの共同研究者に恵まれたたにもアセチレン基はあるが、両者の合成機構は異めである。この場を借りて感謝を申し上げます。

なると思われる。

また、この解説を書く機会を頂きましたシンポジ

	  シアノバクテリアが一次共生した緑藻類は、そ

ウムのオーガナイザーの北海道大学田中亮一博

の後種々の緑藻類に分かれ、種々のルテイン誘導士と福井工業大学柏山祐一郎博士に謝意を表し

体がつくられた。緑藻類ではβ-カロテンの誘導ます。

体は限られた種類しか存在しないが、α-カロテン誘導体には多様性が見られる（図 2）。

Received November 21, 2016; Accepted November 29,	  以上の海産藻類に対して、全ての陸上植物のカ

2016; Published December 31, 2016

ロテノイドはほぼ同じで、図 2 の中心部分に位置するβ-カロテン、ビオラキサンチン、9’-cis-ネオ

参考文献

キサンチン、ルテインを主成分とする。進化の結1.
2.

果一番単純なカロテノイドだけに落ち着いたのだろうか。陸上植物は形態的には大きな進化をしたが、光合成の機構や色素はほぼ同一で変化が見

3.

られない。
7. おわりに	  光合成生物（光合成細菌、シアノバクテリア、
灰色藻類、紅藻類、褐藻類、緑藻類、陸上植物）

4.

のカロテノイド組成、即ちカロテノイド合成経路には多様性が見られる。これは共生や進化段階が5.

変わるごとにカロテノイドの組成や合成経路に220

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光合成研究	  26 (3) 2016

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Evolution of Carotenoid Synthesis in Phototrophs
Shinichi Takaichi*
Department of Biology, Nippon Medical School221

光合成研究	  26 (3) 2016

解説	
 クロロフィル代謝による光化学系の合成、分解の制御‡	
 北海道大学	
 低温科学研究所	
 伊藤	 寿*
陸上植物の光化学系は、コア複合体と周辺集光アンテナから構成されている。コア複合体はクロロフィ
ルとしてはクロロフィル a だけが結合し、周辺集光アンテナはクロロフィル a とクロロフィル b が結合している。光化学系の構築、分解とクロロフィルの代謝は強く関連している。例えばクロロフィル bを合成できない変異体では周辺集光アンテナは蓄積せず、逆にクロロフィル b を分解できない変異体
では周辺集光アンテナが分解されない。本稿では、クロロフィルの代謝による光化学系の合成、分解の制御について紹介したい。
1．はじめに類がある。クロロフィルは多段階の酵素反応を経	  §現在、光化学系の光環境への適応という観点て合成される。それに対して、クロロフィルタン

からは、NPQ やステート遷移、サイクリック電パク質のポリペプチドはそれぞれの遺伝子の転子伝達などに関して精力的に研究が行われ、次々

写、翻訳を経て合成される。このようにクロロ

1)と新しい報告がなされている 。これらの現象はフィルとクロロフィルタンパク質複合体のポリ植物では多くの場合、クロロフィルやタンパク質

ペプチドは全く異なる経路で合成されることかの新規合成を必要としない。そのため光化学系をら、両者の合成量をどのように調節するかが問題

光環境に迅速に最適化することができ、短期間にとなる。その調節は、植物の発達段階や環境条件変動する光環境への応答として重要な役割を果によって異なる場合もあり得るが、現在、以下のたしている。その一方で、植物の一生において、ように考えられている。（１）クロロフィルタン

光化学系を構築するクロロフィルタンパク質複パク質複合体の形成においては、ポリペプチド合

合体の量は様々な局面で変動する

2,3)

。例えば、

成による調節と、クロロフィル合成による調節の

生育場所の光環境により、植物はクロロフィルタ

可能性が考えられる。この問題については、黄化

ンパク質複合体の組成の異なる葉を形成する

4)。

芽生えを緑化させる研究などから、クロロフィル

また、植物にとってクロロフィルタンパク質のポの合成による調節が示唆されている 7)、また、同リペプチドは主要な窒素源の一つである。そのた様に（２）クロロフィルタンパク質複合体の分解

め、植物は葉が老化すると窒素を新しく形成されを調節するのはプロテアーゼかクロロフィルのる器官に転流し再利用するために、クロロフィル

分解かも大きな問題である。これに関しても明確

タンパク質のポリペプチドを分解する

5,6)

。クロ

な答えは出ておらず、プロテアーゼの役割を強く

ロフィルタンパク質複合体はクロロフィル、カロ

主張する総説もある 8)。本稿ではこの問題についテノイドおよびポリペプチドなどから構成されてクロロフィル分解による制御という立場からている。植物のクロロフィルタンパク質複合体に議論する。

はコア複合体と周辺集光アンテナ（LHC）の二種

	  クロロフィル代謝と光化学系の量的制御を調べる上で、クロロフィル代謝の変異株の解析は有効である。ただし、植物においてクロロフィル a‡

解説特集「光合成色素代謝と光化学系構築のダイナミックなは重要な光合成色素であり、その蓄積量を増やす関係」	
 ことは難しく（後述）、また抑制株には多面的な*連絡先 E-mail: ito98@lowtem.hokudai.ac.jp222

光合成研究	  26 (3) 2016

図 1. ク ロロ フィ ル代 謝 系
クロロフィル a とクロロフィル b の相互転換系、およびクロロフィル a の分解の最初の段階を示す。クロロ
フィル a とクロロフィル b の相互転換系は 7 位の酸化、還元反応であり、該当する個所を破線で囲んである。
SGR（Stay Green）がマグネシウム脱離酵素の実体である。クロロフィル a の構造に A 環から E 環を示している。クロロフィリド a オキシゲナーゼはクロロフィル a を基質としていると考えられる。しかし、クロロ
フィルではなくクロロフィリドを基質としたときに組み換えタンパク質の酵素活性が検出されたことから、
クロロフィリド a オキシゲナーゼと命名されている。ここに示した酵素の中で、CBR の二つあるアイソザイ
ムのうち NYC1 だけが膜貫通ドメインを持ち、膜タンパク質だと考えられる。もう一つのアイソザイムの
NOL、および CAO、 HCAR、SGR は可溶性のタンパク質であると考えられている。CAO；クロロフィリド a
オキシゲナーゼ、 CBR；クロロフィル b 還元酵素、 HCAR；7-ヒドロキシメチルクロロフィル a 還元酵素。

影響が生じてしまうため、その解析は困難である。

2. ク ロ ロ フ ィ ル 代 謝 経 路 と ク ロ ロ フ ィ ル タ

その一方で、クロロフィル a の分解系、クロロ

ンパク質複合体の構造

フィル b の合成系、分解系の欠損株や過剰発現株

	  クロロフィル a の合成はグルタミン酸から 5-については明快な表現型が報告されている。そこ

アミノレブリン酸が合成されることから始まる。

で本稿では、最初にクロロフィルの代謝系の概要

この過程にかかわるグルタミル t-RNA 還元酵素を紹介し、その後クロロフィル代謝から見た光化によって触媒される反応はクロロフィル合成経学系構築の制御をクロロフィル b の合成、クロロ

路全体の律速段階であることから、クロロフィル

フィル b の分解、およびクロロフィル a の分解と代謝の制御を考える上で重要なステップである。

の関係に分けて順次紹介する。なお、日本語での次に、5-アミノレブリン酸を材料としてテトラピ

クロロフィル代謝系制御の解説記事としては、光ロール環が合成された後、その中央にマグネシウ

合成研究 22 巻 2 号(2012)の「光合成を支えるテ

ムイオンが挿入される。そして E 環が形成されトラピロール代謝の多様性」の解説特集があり、た後、クロロフィリド a が合成される。最後にク参考にして頂きたい。

ロロフィルシンターゼによってクロロフィリド
a にフィトールがエステル結合されることで、ク223

光合成研究	  26 (3) 2016

図 2. 光 化学 系の 構築 、 分解 の模 式図
光化学系 I、II の模式図、およびそれらの構築、分解過程を示す。光化学系はコア複合体と周辺集光アンテナ（LHC）からなる。コア複合体にはクロロフィル a、LHC にはクロロフィル a とクロロフィル b が結合している。光化学系の構築は、（１）核、あるいは葉緑体にコードされているクロロフィルタンパク質のポリペプ
チドの遺伝子が転写、翻訳されチラコイド膜に挿入される。この段階のポリペプチドは一過的に蓄積するものなので、薄い実線で示してある。
（２）クロロフィル a が供給されると、コア複合体が構築される。クロロ
フィル b 欠損株はこの段階で光化学系の構築が止まる。また、クロロフィル b を持たないシアノバクテリア
もこの段階で止まる。この段階の LHC は一過的に蓄積するものなので、薄い実線で示してある。
（２’）クロ
ロフィル a が合成されないと、ポリペプチドは分解される。
（３）さらにクロロフィル b が供給されると、LHCが構築される。
（３’）クロロフィル b が合成されないと、LHC は分解される。光化学系の分解は、（４）クロロフィル a とクロロフィル b が分解され、光化学系を構築していたポリペプチドも分解される。なお、クロロフィル a とクロロフィル b を分解する酵素の遺伝子は、同じ発現制御を受けていると考えられている。そのため、クロロフィル a とクロロフィル b の分解は協調して起こる。
（４’）クロロフィル b を分解できない変異体では LHCII が分解されずに残る。クロロフィル b が分解されないと LHCII のクロロフィル a も分解されない。なお、LHCI に関してはクロロフィル b を分解できない変異体でも分解される。その理由が、光化学系
Ｉのコア複合体が分解されると LHCII のように単独では安定に存在できずに分解されてしまうのか、あるいは LHCI はクロロフィル b が残っていてもクロロフィル a が分解され、その結果 LHCI も分解されるのか、不明である。

ロロフィル a が完成する 9)。クロロフィル a の合分解系については、最近マグネシウム脱離酵素が成過程にかかわる酵素群の中で、E 環を形成する

報告されたことにより、主要な部分はすべて明らMg プロトポルフィリン IX モノメチルエステル

かになった 12,13)。

シクラーゼの実体が未だに不明であるが、それ以	  光化学系 I と II はそれぞれコア複合体、LHC

外のクロロフィル合成系の酵素はすべて明らかからなる。クロロフィル a はコア複合体と LHC

10)。酸素発生型の両方に存在するのに対して、クロロフィル b

光合成生物に共通するクロロフィル a に加えて、は LHC にしか存在しない（図 2）。この理由とし緑色植物ではクロロフィル b も光合成色素としては、クロロフィル b からクロロフィル a へは励て用いられる。その合成は、クロロフィル a を基起エネルギーが効率よく伝達されるが、その逆へ質とした一種類の酵素によって行われる（図 1）。

は伝達されにくいためではないかと考えられる。

逆にクロロフィル b の分解は、7-ヒドロキシメチ

シロイヌナズナの LHC としては、光化学系 I のルクロロフィル a を中間体とした二段階の酵素

Lhca1 から Lhca4、光化学系 II の Lhcb1 から Lhcb6

反応によりクロロフィル a に戻ってから、クロロの 10 種類が存在し、クロロフィル b はこれらすになっていると考えられている

フィル a の分解系を利用して行われる

11)

べての LHC に存在している（図 3）14)。

。クロロフィル a の分解は中心金属のマグネシウムが脱離することにより開始される。クロロフィルの224

光合成研究	  26 (3) 2016

図 3. 光 化学 系 I、 II の クロ ロフ ィル 量
光化学系 I と II の文献 40)を基に模式図化した。丸がクロロフィルタンパク質複合体のクロロフィルの量を示し、濃い色の部分がクロロフィル a、薄い色の部分がクロロフィル b の量を表し、数字がそれぞれのクロロフィルの数を示す。光化学系 I はコア複合体に Lhca1 から Lhca4 までそれぞれ一つず
つ結合している。光化学系 II は二量体構造で、Lhcb1、Lhcb2 あるいは Lhcb3 を構成成分とする三量体がコア複合体一つに対して 2 つ結合し、Lhcb4
から Lhcb6 までの複合体が一つずつ結合している。
具体的なクロロフィルの分子数は光化学系 I コア
複合体がクロロフィル a だけが 98、Lhca1 がクロロフィル a、クロロフィル b がそれぞれ 12、2、Lhca2
は 9、5、Lhca3 は 13、1、Lhca4 は 11、441)。光化学系 II コア複合体が単量体当たりクロロフィル a
だけが 36、Lhcb1、2、3 はすべてクロロフィル a、
クロロフィル b がそれぞれ 7、5、Lhcb4 は 6、2、
Lhcb5 は 6、3、Lhcb6 は 5、542)のクロロフィルが結合している。

3. クロロフィル a の合成とクロロフィルタン

いる 9)。そこでグルタミル t-RNA 還元酵素の過剰

パク質複合体の関係

発現体が作製されたが、クロロフィル a はあまり	  被子植物はクロロフィルを合成するために光増加せず、光障害が生じた 15)。また、クロロフィを必要とする。そのため、暗所で発芽すると、クル a 合成の最終段階を司るクロロフィルシン

ロロフィルを持たない黄化芽生えとなる。黄化芽

ターゼを過剰発現した形質転換体においても、ク生えの緑化初期ではクロロフィルの合成量に対

ロロフィル a の蓄積量はほとんど増加しなかっ

して、クロロフィルタンパク質のポリペプチドがた 16)。これらの結果は、クロロフィル a の合成

過剰に合成されている 7)。このように、緑化初期

系にフィードバック制御がかかっている可能性

でクロロフィルの合成量が少ないときは、クロロ

や、あるいは葉緑体はもともと飽和量の光化学系

フィルの供給量がクロロフィルタンパク質複合を持ちそれ以上増やすのが困難なためクロロ体の量を決定している。つまり、クロロフィルのフィル量を大きく増加させることができない可合成量が、光化学系の構築量を制御している。一能性を示唆している。

方で成熟葉でのクロロフィル a の代謝とクロロ
フィルタンパク質複合体の構築の関係は明らか

4. クロロフィル b 欠損変異体になっていない。その関係を明らかにするために	  クロロフィル b はクロロフィリド a オキシゲ

は、クロロフィル a の合成量を変えた形質転換体

ナーゼ(CAO)によりクロロフィル a のメチル基がを利用する方法が考えられる。クロロフィル a

フォルミル基に酸化されることによって合成さの合成は 5-アミノレブリン酸の合成にかかわるれる（図 1）。クロロフィル b は電荷分離や電子

グルタミル t-RNA 還元酵素が律速段階になって伝達には関与せず、集光性の補助色素としてしか225

光合成研究	  26 (3) 2016
機能しないため、クロロフィル b が欠損しても植ル a の合成量も増え、クロロフィルタンパク質の物は生育することができる。クロロフィル b 欠損

ポリペプチドの遺伝子の発現量も増加する。その株においては LHC の蓄積量は顕著に減少する。

ため、光化学系の構築に対するクロロフィル b

しかし、LHC の mRNA 自体はクロロフィル b 欠の合成の影響だけを明らかにすることはできな

17)、クロロフィル b

かった。そこで、筆者たちの研究グループでは、。これらの結果か

クロロフィル b の合成だけの影響を調べるため

ら、クロロフィル b 欠損株に LHC が蓄積しないに、クロロフィル b 欠損株で一過的にクロロフィ

理由は、LHC を構成するクロロフィルタンパク

ル b 合成を誘導する実験が行われた 23)。具体的

質のポリペプチドは合成されているが、クロロには、クロロフィル b 合成酵素の CAO をデキサ

フィル b が供給されないため構造が不安定にな

メタゾン(DEX)で誘導できる系をシロイヌナズ

り、分解されてしまうためであると考えられる。

ナのクロロフィル b 欠損株に導入し、DEX 処理

実際、大腸菌を使って作製した LHC の組み換えによりクロロフィル b 合成を誘導した。その結果、タンパク質とクロロフィルを試験管内で結合さDEX 処理後 3 日目に、クロロフィル b が全クロせたところ、クロロフィル a とクロロフィル b

ロフィルの約 15％になるまで蓄積した。なお、が LHC の構築には必要で、クロロフィル a だけ

野生株ではクロロフィル b の割合は 20％余りの損株でも合成されているためを与えると LHC が蓄積する

18)では安定な LHC が構築できなかった

19)

。クロロ

ため、野生株よりは少ない。このとき LHC のタ

フィル b 欠損株において LHC タンパク質が合成

ンパク質量を調べたところ、DEX 処理前は Lhca2

されるものの蓄積しない現象は、クロロフィル代

と Lhcb5 の蓄積のみが認められたが、クロロフィ

謝による光化学系構築の制御の代表的な例であル b の蓄積が進むにつれてすべての LHC のタンる。なお、クロロフィル b 欠損株においても、

パク質が蓄積した（図 4A）。一方で、LHC の遺

LHC は顕著に減少するものの、まったく蓄積し伝子の発現量を調べたところ、DEX 処理によるないわけではない。とりわけ、シロイヌナズナでクロロフィル b 合成の誘導の前後で、顕著な発現あれば、Lhca2 と Lhcb5 はクロロフィル b 欠損株

量の増加は観察されなかった（図 4B）。この結果

において、蓄積量の減少はほとんど見られない。

は、LHC の蓄積量の制御は、主にクロロフィル b

クロロフィル b 欠損株において蓄積する LHC のによる LHC の安定化によって、タンパク質レベ

種類や量は光環境の影響を受けるようだが、詳細ルで行われることを示している。

11)。また、緑藻のクラ	  クロロフィル b 欠損株であっても、葉の成長がミドモナスではクロロフィル b 欠損株における終わった段階で葉緑体は分裂を止め、内部のチラ

LHC の減少はほとんど見られない。そのようなコイド膜が発達して成熟した状態になっている。

LHC ではクロロフィル b の位置にクロロフィル a

そのような葉緑体であっても、後発的にクロロな原因は分かっていない

20,21)。この陸上

フィル b を合成した場合、光化学系が再構築され植物と緑藻の違いの原因も現時点では不明であることが示された。これは光化学系の柔軟性といる。

う観点から、重要な現象だと考えられる。

5. クロロフィル b 欠損変異体におけるクロロ

6. クロロフィル b の過剰な変異体

フィル b の合成

	  上記のクロロフィル b 欠損変異体で CAO の発	  クロロフィル b の合成が光化学系の構築に与現を一過的に誘導した実験では、クロロフィル

える影響については、黄化芽生えに光照射を行い、a/b 比は 5.7 で、クロロフィル b の蓄積量が野生

クロロフィル b の合成を誘導する方法が用いら

株のクロロフィル b 蓄積量（クロロフィル a/b 比が結合していると考えられている

れてきた

22)

。クロロフィル b の蓄積量が異なる

は 3 前後）に到達しなかった。そのため、この実植物を作製することができるためである。しかし、験ではクロロフィル b が通常量蓄積した時でも、この時にはクロロフィル b 以外にもクロロフィ

クロロフィル b が LHC の量を調節しているのか

226

光合成研究	  26 (3) 2016

図 4. ク ロロ フィ ル b の 合成 、分 解と ク ロ
ロ フィ ルタ ンパ ク 質の 蓄積 量の 関 係（A）クロロフィル b 欠損株で DEX により
CAO を誘導し、クロロフィル b の合成を誘導した時のクロロフィルタンパク質のポリペプ
チドをイムノブロットにより検出した。LHCとしては、ここでは Lhca1 と Lhcb1 だけを示
す。Lhca1 と Lhcb1 はクロロフィル b 合成誘導
後蓄積を始める。
（B）Lhca1 と Lhcb1 の mRNA の量を（A）の条件の 0、1、2、4 日目でマイクロアレイを利用して測定した。マイクロアレイ上にそれぞれの遺伝子が複数スポットされているので、それらの平均値を示し、0 日目のものと比較している。Lhca1、Lhcb1 ともに遺伝子の発現量の変化はわずかなものであり、（A）のタンパ
ク質の量の増加は遺伝子の発現量の増加によるものではないと考えられる。
（C）暗処理により老化を誘導したときのクロロフィルタンパク質のポリペプチドをイムノ
ブロットにより検出した。野生株では暗処理 8
日目では光化学系 I、II のコア複合体、および周辺集光アンテナがほぼ消失している。それに対してクロロフィル b 還元酵素欠損株、つまりクロロフィル b を分解できない変異体では暗処理によりコア複合体、および Lhca1 は消失しているが、Lhcb1 は分解されない。このことはクロロフィル b の分解が Lhcb1 の分解に必要なことを示している。なお、この条件
で、マイナーLhcb の Lhcb4 から Lhcb6 もクロロフィル b 還元酵素欠損株では、暗処理により分解されない 31)。

不明であった。それに対してシロイヌナズナの側の領域が何らかの方法でクロロフィル b と相CAO をシロイヌナズナとタバコの野生株で過剰互作用し、CAO タンパク質が分解されることに発現したところ、クロロフィル b の量が増加する

よって、そのフィードバック制御が行われているとともに LHC の量も増加していた

24,25)

26)。クロロ。そのため、アミノ末端側の制御領域を除くこ

フィル a/b 比が 3 前後で上下するのは植物が強光とにより、クロロフィル b 合成のフィードバック

や弱光に適応する際に見られる応答である。この制御が効かず、過剰にクロロフィル b を蓄積する

ような応答では、CAO の発現量が変化すること

形質転換体を作ることができる 26)。また、シアが LHC 蓄積量の調節に重要な役割を果たしていノバクテリアの CAO を植物で発現した場合も過ると考えられる。

剰量のクロロフィル b が蓄積する。ほとんどのシ	  通常の陸上植物であれば、クロロフィル b の量アノバクテリアはクロロフィル b を持たないが、は全クロロフィルの 20％余りであり、その量比

Prochlorothrix hollandica など、例外的にクロロを維持するためには何らかの調節機構が必要で

フィル b を持つものも存在する。そのある。先行研究から、そのクロロフィル b の合成

Prochlorothrix の CAO は陸上植物の CAO と比較

量の制御は、クロロフィル b を合成する CAO のしてアミノ末端側に制御領域を持たない。そのたフィードバック制御によって行われていること

め Prochlorothrix の CAO を植物に導入した場合が明らかになっている。具体的には、反応産物のも過剰量のクロロフィル b が蓄積する 27)。そのクロロフィル b が存在すると CAO のアミノ末端ようにして作出した形質転換体で、全クロロフィ

227

光合成研究	  26 (3) 2016
ルの約半分がクロロフィル b になっている植物

解過程を触媒するフェオフォルビド a オキシゲの光化学系を調べたところ、通常クロロフィル a

ナーゼが代謝できないためであると考えられてだけが結合している光化学系 I のコア複合体にもいる 30)。クロロフィル b の最初の還元反応はククロロフィル b が存在していた。また、LHC に

ロロフィル b 還元酵素により行われる。クロロ

おいてもクロロフィル b の割合が増加していた。

フィル b 還元酵素としては、Non-Yellow Coloring

このことは、クロロフィル a とクロロフィル b

1（NYC1）と NYC1-like（NOL）の二つのアイソが結合する場所はクロロフィルタンパク質上でザイムが緑色植物には存在する。二つの遺伝子を決まっているが、クロロフィル b が過剰になれば破壊したクロロフィル b 還元酵素欠損株の表現

クロロフィル a の場所にもクロロフィル b が結合型は野生株と差が見られない。これは、生育中クできることを示している。なお、このようにクロロロフィル b はあまり分解されていないためだ

ロフィル b が過剰な光化学系では、LHCII の量がと思われる。しかし、植物を暗処理により強制的

25)。ただし、クロロフィル b の増に老化させクロロフィルの分解を誘導すると、野加量に比べると、LHCII の増加量は少なかった。

生株では約一週間で大半のクロロフィルが分解

クロロフィル b の増加の主な原因は LHC の増加

されるのに対して、クロロフィル b 還元酵素欠損

ではなく、上述のように、本来はクロロフィル a

株ではクロロフィル b がほとんど減少せず、一定が存在する場所にクロロフィル b が結合したた量のクロロフィル a も残存する 31,32)。クロロフィ

めだと思われる。実際、LHC の組み換えタンパ

ル b 還元酵素欠損株はこのようにクロロフィル

ク質を用いた再構成実験においても、クロロフィの分解が正常に行われない。そのためクロロフィ

ル a の場所にクロロフィル b が結合できることがル b の分解がクロロフィルタンパク質複合体の増加していた知られている28)。また、自然界においても水深分解に及ぼす影響を明らかにするために適したが深いところに生存する緑藻類にはコア複合体

実験材料である。そこで筆者たちの研究グループにクロロフィル b を持つものが存在することがで、暗処理後のクロロフィル b 還元酵素欠損株に

29)。これは、クロロフィル b がクおけるクロロフィルタンパク質複合体の蓄積量

ロロフィル a と比較して青色の光を効率よく吸を調べた。その結果、野生株ではほぼすべてのク

収することができ、水深が深いところに豊富に存

ロロフィルタンパク質複合体が消失していたの在する青い光を有効に利用するためだと考えらに対して、クロロフィル b 還元酵素欠損株ではれている。このように、生物によってクロロフィ

LHCII を構成するクロロフィルタンパク質のみ

ル b がクロロフィルタンパク質のどこに結合す

残存していた（図 4C）。このことからクロロフィ

るかは決まっているが、進化の過程でクロロフィ

ル b の分解が LHCII の分解に必須であることがル a の場所にクロロフィル b を組み込む改変は比示された。さらに、光化学系 II のコア複合体が

較的容易に行われたと思われる。シロイヌナズナ

分解されても、LHCII は安定に存在できることものクロロフィル b の過剰な形質転換体の解析よ明らかになった。一方 LHCI を構成するクロロ

り、クロロフィル b が増えてもクロロフィルタン

フィルタンパク質はすべて野生株と同様に分解

パク質複合体の量は大きくは変わらないが、そこされていた。このことから、光化学系 I のコア複に結合するクロロフィルの組成を変えることが合体が分解された際に遊離した LHCI については、できることが明らかになった。

クロロフィル b を結合しているものの、LHCII

知られているとは異なり安定には存在できず分解されてしま
7. クロロフィル b の分解うと思われる。なお、クロロフィル b 還元酵素の	  クロロフィル b の分解は、二段階の還元反応でアイソザイムである NOL の組み換えタンパク質

クロロフィル a に戻ってからクロロフィル a と同は精製した LHCII のクロロフィル b を還元でき

じ経路で進行する。クロロフィル b のまま分解しる。このことは、LHCII がプロテアーゼによってないのは、7 位にフォルミル基があると、後の分分解されていなくても、クロロフィル b 還元酵素

228

光合成研究	  26 (3) 2016
が LHCII 上のクロロフィル b を分解できることを明らかにした 12)。このマグネシウム脱離酵素を示している。以上のようにクロロフィル b 還元の実体は、約 10 年前に老化後も葉の緑色を維持

酵素はポリペプチドに結合したクロロフィル b(stay green)する変異体の原因遺伝子として同定を分解できること、およびクロロフィル b 還元酵されていた SGR36)であった。なお、SGR はメン

素欠損株は LHCII を分解できないことから、デルが遺伝の法則に利用したエンドウマメの緑

LHCII の分解はクロロフィル b の分解によって開色の子葉の原因遺伝子でもある 37)。

始されると考えられる。

	  マグネシウム脱離酵素の欠損株はクロロフィ
ルが分解されないため自然老化、あるいは暗処理

8. 7-ヒドロキシメチルクロロフィル a の分解による強制老化において、クロロフィルが残る。

	  クロロフィル b が還元されて生じる 7-ヒドロ

暗処理による強制老化の場合、LHCI、LHCII とキシメチルクロロフィル a は 7-ヒドロキシメチ

もに分解されずに残る 38)。この時、クロロフィ

ルクロロフィル a 還元酵素によりクロロフィル a

ルを持たない葉緑体の他のタンパク質、例えば

33)。7-ヒドロキシメチルクロロフィ

Rubisco は分解される。この結果は、クロロフィ

ル a は光合成色素としては利用されることがな

ル a の分解がクロロフィルタンパク質複合体のく、代謝中間体としてのみ存在する。この還元酵分解に影響を与えていることを示す顕著な例で素の欠損株は、生育条件では明瞭な表現型を示さある。また、マグネシウム脱離酵素を過剰発現すに還元されるない34)。しかし暗所で強制老化を行い、クロロ

るとクロロフィルが分解される。そのため、恒常フィルを分解させると、様々なクロロフィル分解

的に過剰発現した場合、植物が正常に生育できな中間体がたまるとともに、葉が細胞死のような症い。そこで DEX 処理により一過的に発現を誘導状を呈する。このような症状を誘導する機構の詳したところ、30 時間後にはほぼすべてのクロロ

細は、現時点では明らかではない。7-ヒドロキシフィルが分解されていた 12)。この時、クロロフィ

メチルクロロフィル a はクロロフィルタンパク

ルタンパク質複合体は分解されるが、Rubisco は質にクロロフィル a などのように強固に結合す

分解されずに残っていた。この結果もクロロフィることができず31)、7-ヒドロキシメチルクロロ

ルの分解がクロロフィルタンパク質複合体の分フィル a が直接クロロフィルタンパク質複合体

解を誘導することを表している。実際、マグネシの安定化などに寄与している可能性は低いと考

ウム脱離酵素の組み換えタンパク質は、精製したえられる。そのため、7-ヒドロキシメチルクロロ

クロロフィルタンパク質複合体のクロロフィル

フィル a 還元酵素は LHCII の分解にかかわって

a を分解できる。このことはクロロフィルタンパ

いないと考えられる。

ク質複合体の分解がプロテアーゼによる分解ではなくクロロフィル a の分解によって開始され

9. クロロフィル a の分解ることを表している。

	  クロロフィル a の分解は中心金属のマグネシウムが外れ、フェオフィチンになることにより始

10. まとめまる。マグネシウムが外れる反応はプロトンとマ	  今回、「クロロフィル代謝による光化学系の合グネシウムの交換であるため、クロロフィル a

成、分解の制御」という観点から、クロロフィル

を弱酸性の溶媒に溶かすだけで、酵素がなくてもb の合成、分解、およびクロロフィル a の分解を35)

。そのため、クロロフィルの分解過改変した形質転換体を紹介してきた。図 2 でその程でのマグネシウムの脱離が酵素反応なのか非結果を模式的に示している。クロロフィル b の代酵素反応なのかはこの分野における大きな懸案

謝と LHCII の関係は以下の三点にまとめること事項であった。それに対して、最近、筆者らのグができる。（１）クロロフィル b を合成するとループではマグネシウム脱離酵素を同定し、クロ

LHCII が蓄積する。（２）LHCII を分解するため

ロフィル a の分解が酵素による反応であることにはクロロフィル b を分解しなければならない。

進行する

229

光合成研究	  26 (3) 2016（３）クロロフィル b を分解する酵素は LHCIIに結合したクロロフィル b を分解することがで5.

きる。これらのことはクロロフィル b の代謝が
LHCII の合成、分解と密接にかかわっていること

6.

を示している。
	  光化学系が光を吸収し、励起エネルギーが反応7.

中心に送られて、電荷分離が起きるまでは、クロロフィルタンパク質のポリペプチドはクロロ
フィルを適切な場所に配置するための足場であり、ポリペプチド自身が励起エネルギーの移動に

8.

かかわることはない。ポリペプチドが、クロロ
フィルタンパク質複合体の機能を発現するための補助的な役割を果たしているという観点に立9.

つと、少なくても周辺集光装置ではクロロフィル
がクロロフィルタンパク質複合体の量を制御し10.

ていることは合理的だと考えられる。
	  クロロフィルタンパク質のポリペプチドが分11.

解されるときには当然プロテアーゼが関与している。本稿ではプロテアーゼには触れなかったが、LHC を分解するプロテアーゼについてはほとん
ど明らかになっていない 39)。プロテアーゼは、

12.

光化学系の構築、分解を理解するうえで残された大きな課題である。
13.

謝辞	  本原稿の作成に当たり有益な御助言を下さい

14.

ました田中歩教授、田中亮一准教授、高林厚史助教、並びに査読者の方に感謝いたします。

15.
Received October 31, 2016; Accepted November 29, 2016;
Published December 31, 2016
16.

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Regulation of Photosynthetic Complex by Chlorophyll Metabolism
Hisashi Ito*
Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University232

光合成研究	  26 (3) 2016

報告記事	
 

	
 

	
 
第 17 回国際光合成学会~Photosynthesis in a Changing World~参加報告-Are You Challenging Yourself?
	 埼玉大学 大学院理工学研究科 西山研究室（D2）Visiting Student Researcher at Niyogi Lab, University of California, Berkeley	
 
神保	
 晴彦	
 
International Congress on Photosynthesis Research (ICPR) は光合成に関する最も大きな国際会議です。私にとって ICPR は前回の St. Louis から 2 度目の参加でした。開催地となった Maastricht は EU 発祥の地であり、街並みからもその歴史を感じることのできる非常に美しい街です。４日目には城を改装したワイナリーでディナーパーティーが開かれ、参加者同士が交流を行いました。
	  私は Opening Ceremony の時に、前回の国際会議では会議の大きさに圧倒されて質問すらできなかったことが非常に悔しかったことを思い出し、リベンジを決意しました。合間のコーヒーブレイクでは
Niyogi lab のメンバーと、それぞれ参加したセッションで面白かった発表について議論しました。また、
会期中はほぼ毎晩、街中のバーやレストランにくり出しました。Düsseldorf 大学の学生も交えて GMO
を世界にどのように広めていくべきかを、深夜 2 時まで議論したことは非常に有意義な時間でした。
私は国際学会に参加する醍醐味は、これまで論文でしか見たことのなかった著名な研究者と会えることだと思います。光合成におけるシグナリングのレジェンドである Jean-David Rochaix は、誠実が歩いているような人で私の研究内容について深く議論を交わしていただきました。Michael Hippler の発表
は、Chlamydomonas における Ca2+シグナル経路を担う新しい Calcium-dependent thioredoxin を発見した研究で、質問をするとともに発表後に Hippler と議論を交わしました。私は Scientist として心から今回の会議を楽しみました。
	  これからの ICPR の在り方を議論した時、私は President に参加者がどのくらい国際会議に満足しているのかを質問しました。なぜなら、あまり議論が活発でないと感じたからです。私は学会後にアンケートを取り、参加者の意見を聞くことを提案しました。さらにいくつか意見があり、若い研究者向けのサテライトミーティングを作ることが提案されました。私は国際学会に参加して、自分が非常にChallenging な環境に置かれていることがとてもよくわかりました。それは自分が無名であるために、自ら行動しないと何も得られないからだと思います。光合成は毒ともなる酸素を用いてでも、生物界における存在意義を示しました。光合成研究者も、各々が明確な存在意義を示すべきではないでしょうか。
	  今回の国際会議では、特に日本人研究者の存在が薄いことがよくわかりました。これまで光合成研究に世界的に大きな貢献をしてきた日本人の存在意義が薄くなるということはとても悲しいことです。
ICPR では Graduate Student の学会参加費（数万円）を補助する制度があります。同年の 4 月には締め切るので注意が必要です。国際会議は、学部や修士の研究をまとめて発表する素晴らしい機会であるとともに、自分の価値を見出す良い挑戦だと思います。是非、活用して下さい。
	  最後に執筆の機会を下さった埼玉大学の西山佳孝教授に御礼申し上げます。また、読者の先生方は未熟な若年研究者の意見だと思って、どうかお許しいただければと思います。

	
 

	
 

233

光合成研究	  26 (3) 2016

	
 

	
 

	
 
Niyogi ラボのメンバーとマース川のほとりで（左から 2 番目が筆者）

	
 

	
 

234

光合成研究	  26 (3) 2016

報告記事	 Finnish-Japanese Symposium 2016: Integration of Photosynthesis with Cellular
Metabolism: Towards Sustainable Bioeconomy 参加報告
早稲田大学	
 先進理工学研究科	
 園池研究室	
 
小川	
 敬子	
 
2016 年 9 月 5 日から 10 日にかけて、フィンランドはサーリセルカにて開催された Finnish-Japanese
symposium 2016 に参加致しました。開催地のサーリセルカは、ヘルシンキから飛行機を乗り継いで更に北へ行ったラップランド地域にある小さな町です。ヘルシンキでも半袖では寒いくらいでしたが、サーリセルカでは 9 月上旬でもコート無しでは凍えるほどの気候でした。
	  開催地を日本とフィンランドとの交替で開催されている日本フィンランド二国間会議は、2004 年にフィンランド・トゥルクでの最初の会議を皮切りに隔年で開催され、今年で 7 回目となるそうです。
今回は発表のプログラムは 5 つのセクションに分かれており、全 36 演題の発表がありました。中でも、Yagut Allahverdiyeva が発表したシアノバクテリアの光合成電子伝達鎖における呼吸鎖末端酸化酵素のエレクトロンシンクとしての役割の話が興味深い内容でした。明所下では光合成や呼吸等、各種の酸素発生・吸収反応が混在するシアノバクテリアにおいて、明所下での各呼吸鎖末端酸化酵素の寄与の程度を明らかにしたもので、個人的には最近殊に関心のある内容であったため、既に論文にもパブリッシュされている内容ですが、直接お話を聞くことが出来たのは貴重な機会でした。また、本会議には今回初めて参加させて頂きましたが、6 日間の会期中、40 名弱の参加者全員が会場であるホテルで過ごすため、会議中だけでなく、食事中等でも他の参加者の方と密に接し議論できる環境にあり、最初はそのような状況に圧倒され、英語力等々様々な面における自身の未熟さを改めて痛感する機会ともなりました。しかし、会議中に限らずに研究について議論できる環境には大変に刺激を受け、研究の話はもちろんのこと、フィンランドの大学の様子など多岐に渡る話題には興味が尽きませんでした。
	  今回はエクスカーションも特に充実していたそうで、3 日目の午後には Urho Kekkonen 国立公園へ、
4 日目の午後には Lappish Goldfields へと出掛けました。フィンランドの雄大な自然に触れるとともに、研究発表の場では見ることのできない先生方の一面を見ることが出来たのは楽しく、貴重な経験になったと思います。さらに、最終日の夜には天候に恵まれ、午前 1 時から 3 時頃にかけてオーロラを見ることもでき、北欧の地に来た醍醐味を味わうことが出来ました。
	  最後になりますが、若輩者の私にこの会議への参加の機会を与えて下さいました田中亮一先生はじめ、会期中にお世話になりました先生方にこの場を借りて改めて御礼申し上げます。

235

光合成研究	  26 (3) 2016報告記事	 若手の会活動報告〜第 13 回セミナーの開催、サイエンスアゴラ 2016 での出展〜
立命館大学	 生命科学部	
 生命情報学科浅井	
 智広
若手の会では、前号の会報が発行された 8 月から今号が発刊される 12 月までの秋の期間に、通算 13回目となる研究セミナーの開催と、恒例となったサイエンスアゴラ 2016 での出展を通じたアウトリー
チ活動行いました。今年の秋は若手の会の歴史的な区切りの一つとなると思います。というのも、本
年度をもって現在の会長と幹事は退き、来年度からは新しい会長と幹事が若手の会を運営していくことを決めたためです。現在の幹事は発足時から積極的に運営に関わってきたメンバーですが、時が経
つにつれ、その立場は初々しい学生から熟練の中堅研究者のようなイメージに変わってきました。若
手の会の“若手研究者の集まり”というフレッシュなイメージを維持していくため、現会長である僕から幹事の総入れ替えを提案したところ、現幹事および研究セミナーの参加者から快い賛同が得られました。具体的な人選は現在まだ調整中ではありますが、中堅的な研究者を加えつつも、実質的な若さが際立つメンバーとなる予定です。次号の会報で具体的な運営体制のお知らせを行い、本会の次年度年会の総会の折に会員の皆様にご承認いただきたいと考えています。
	
  第 13 回の研究セミナーは、10 月 15 日に東京工業大学・大岡山キャンパスの講義室をお借りして行いました。開催に際して、東京工業大学の清水隆之さんには多大なご協力を頂きました。この場を借りて御礼申し上げます。セミナーの内容としては、来年度からの運営メンバーの一新のお知らせに始
まり、次期幹事の候補者である３名の方に講演していただきました。セミナーの詳しい様子は、清水さんに開催報告記事を書いて頂いたので、そちらをご覧ください。
	  サイエンスアゴラは日本科学技術振興機構（JST）が主催する大規模なサイエンスコミュニケーショ
ン の イ ベ ン ト で 、 今 年 も 東 京 お 台 場 地 区 を 中 心 に 11 月 3 日 か ら 6 日 ま で 開 催 さ れ ま し た（http://www.jst.go.jp/csc/scienceagora/ 参照）。若手の会では 2011 年から継続して出展しています。今年も現幹事の関西学院大学の辻敬典さんが中心になり、11 月 5 日と 6 日に「光合成をもっと知ろう！ー
光合成が支える私たちのくらしー」と題したブース型の出展を行いました。例年よりも出展団体が多く、限られたスペースでの出展となりましたが、新しい出展の方法や成果も得られました。辻さんに出展報告記事を書いて頂いたので、詳しくはそちらをご覧ください。
	  若手の会では、実年齢や身分、所属を問わず、多くの研究者の方々の積極的な参加を歓迎します。
現場の研究を推進している研究者が若い気持ちで交流することは、学際性の強い光合成研究では絶対不可欠だと思います。この記事を読んで興味を持たれた方は、お気軽にご参加ください。また、ご自身の参加はもちろんのこと、周辺の方にも参加をお勧めいただきたいと思います。ご不明な点など、遠慮無く浅井（cazai@fc.ritsumei.ac.jp）までお問い合わせください。

236

光合成研究	  26 (3) 2016報告記事	 サイエンスアゴラ 2016 出展報告
「光合成をもっと知ろう！～光合成が支える私たちのくらし～」
関西学院大学 理工学部
辻 敬典
立命館大学 生命科学部	
 
浅井	
 智広	
 
サイエンスアゴラとは	  サイエンスアゴラは、JST が主催する日本最大級のサイエンスコミュニケーションイベントで、高校生、大学生、研究者、サイエンスコミュニケーション団体など、様々な人々が出展し、来場者や出展者同士で交流するイベントです。サイエンスアゴラに出展する団体は年々増加しており、昨年は約 2000
団体が出展し、今年は約 2600 団体が出展しました。それに伴い、展示ブースのサイズが 1 団体あたり
2×3 m から 2×2 m に縮小されました。今回我々は、「光合成をもっと知ろう！～光合成が支える私た
ちのくらし～」と題したブース展示を行ったのですが、顕微鏡観察・クロロフィル蛍光測定装置および酸素電極による光合成測定・薄層クロマトグラフィーによる色素の分離など、盛りだくさんのデモ実験を限られたスペースで行うことに苦労しました。
今年の展示内容
	  例年行っている顕微鏡観察では、光合成細菌、シアノバクテリア、緑藻、ミドリムシ、珪藻やラフィド藻など、非常に多様な光合成生物を用意しました。一次共生や二次共生による葉緑体の獲得についても説明し、「光合成生物」というグループの多様性について知ってもらいました。健康食品として話
題のミドリムシや、重油相当の炭化水素をつくる緑藻ボツリオコッカスなども来場者に見てもらい、
光合成生物が私たちの暮らしを豊かにするポテンシャルを持つこともアピールしました。
	  光合成色素の TLC による分離実験では、藻類や野菜から抽出した色素を TLC で展開し、光合成色素の多様性と普遍性について知ってもらいました。アンテナ色素は極めて多様であり、その結果として光合成生物は様々な色を呈しますが、どの植物・藻類でも、共通してクロロフィル a を持っていること、光捕集と反応中心における各色素の役割についても説明をしました。緑色の葉っぱの中に、緑以外の色素があることは、意外と知らない人が多いようでした。光合成生物が呈するカラフルな色の実体と、その重要性を知ってもらえたのではないかと思います。
	  イメージング PAM と酸素電極を使った光合成測定実験では、目に見えない光合成の反応をリアルタ
イムで可視化し、光の吸収から電子伝達に至るまでの過程を解説しました。イメージング PAM の原理
は極めて複雑なため、来場者への説明は難しかったですが、電子伝達系の阻害剤を使うなどの工夫をし、来場者に理解してもらえるよう努めました。少なくとも、光合成が極めて複雑な物理化学的プロセスであることは理解してもらえたと思います。
	  スペースの都合上、昨年まで行っていた一部のデモ実験は出来ませんでしたが、顕微鏡観察による
細胞レベルでの光合成生物の観察、次いで色素分析により光合成の初発反応を担う色素の重要性を知ってもらい、最後に PAM と酸素電極で光合成の動的過程を知ってもらうという、一連の流れのある展示を出来たのではないかと思います。

237

光合成研究	  26 (3) 2016

サイエンスアゴラは試行錯誤の場
	  光合成学会若手の会では、サイエンスアゴラをアウトリーチ活動の試行錯誤の場として考えています。研究者として、分かりやすさだけを重視した解説ではなく、なるべく仕組みや理論まで踏み込んだ解説をすることを重視していますが、実際にアゴラに出展してみるとその難しさを実感します。また、自分が持っている光合成の知識が、狭い分野に偏りがちであることも実感しました。人にわかりやすく説明をするためには、偏った知識ではなく、光合成の全体像を捉えていることが重要だと感じました。若手研究者同士で議論し、アゴラで実践することで、研究者としてのアウトリーチ活動のあり方を確立していきたいと考えています。大学生・大学院生・若手研究者で興味を持った方は、ぜひご参加ください。

謝辞
東京大学	
  	
  	
  	
  榎本元、前田海成、吉野宏明、陳泰駿、遠藤嘉一郎、藤井祥、大西亜衣（事前準備、当日の運営）
東京工業大学	  	  清水隆之（光合成細菌の提供）
岡山大学	
  	
  	
  	
  大西紀和博士（事前準備、当日の運営）
基礎生物学研究所	
  	  岡島圭佑（当日の運営）
東京大学	
  	
  	
  	
  小林康一博士（Imaging PAM および酸素電極のデモ）
国立環境研究所

微生物系統保存施設（藻類株の提供）	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  以上、敬称略

238

光合成研究	  26 (3) 2016報告記事	 若手の会活動報告～第 13 回セミナーの開催～
東京工業大学 生命理工学研究科
清水 隆之
近々、若手の会では幹事が一新されます。そこで、今回のセミナーは「Episode XIII ―A New Hope―」と題して、若手の会の新たな幹事となるメンバーが発表を行う形式でセミナーを開催しました。2016
年 10 月 15 日に東京工業大学・大岡山キャンパスで開催し、29 名の参加者が集まりました。
	  セミナーでは、招待講演と参加者全員の自己・研究紹介を行いました。招待講演では、若手の会の次世代を担うことになった新幹事メンバーの中から 3 名が発表を行いました。東京大学・池内研の助教である榎本元さん、神戸大学・三宅研の博士学生である嶋川銀河さん、東京工業大学・増田研の博士学生である清水隆之がそれぞれ質疑応答を含めて 50 分ずつ講演しました。榎本さんは、好熱性シア
ノバクテリアの光応答に関して、3 つのシアノバクテリオクロム型光受容体が、それぞれ異なる波長の光を認識してセカンドメッセンジャーである c-di-GMP を合成/分解することで、高感度かつ厳密に光波長に依存したかたちで c-di-GMP のシグナルを制御しているといった内容の講演を行いました。嶋川さんは、藍藻における P700 酸化メカニズムの多様性に関して、3 種の藍藻において光過剰の環境下でP700 酸化が PSI 光障害を防ぎ、そのメカニズムには多様性があるといった内容の講演を行いました。
清水は、硫化水素依存的な光合成を制御する転写因子 SqrR の分子機構に関する講演を行いました。いずれの講演でも、若手の会の旧・現幹事メンバーの先輩方から厳しく鋭いご意見を頂き、新幹事メン
バーのさらに次を担うことが期待される学生たちからも重要な質問を頂きました。特に、生化学・生理学・生態学的な幅広い観点からの非常に活発な議論が行われました。これは集まった人の研究分野の広さを反映してのことだと思いました。講演後に、参加者全員 1 人 1 人に自由な形式で自己・研究紹介をしてもらいました。セミナー終了後は、キャンパス内の生協食堂にて懇親会を行い、参加者同士の交流を深めました。
	  今後、若手の会は今回の講演者 3 名と京都大学の横山諒さんを中心に活動をしていく予定です（詳細は現会長である浅井さんから報告があると思います）。これを機に、これまで若手の会に参加されたことのない学生さんにもどんどん参加して頂けたら幸いです。特に、学部・修士課程の学生に積極的に参加して頂きたいので（もちろん博士課程の学生やポスドク以上の方々もですが）、光合成学会会員の先生方には、ご指導されている学生さんに若手の会への参加を勧めて頂けたら幸いです。また、若手の会が開催するセミナー等への参加だけでなく、運営側への参加も大歓迎ですので、自薦他薦問わず、お気軽にご連絡いただければ幸いです（清水連絡先：shimizu.t.au@m.titech.ac.jp）。

セミナー会場の様子講演を行う榎本さん

239

講演を行う嶋川さん光合成研究	  26 (3) 2016

事務局からのお知らせ	
 
★入会案内
	
  本会へ入会を希望される方は、会費（個人会員年会費：￥1,500、賛助法人会員年会費：￥50,000）
を郵便振替（加入者名：日本光合成学会、口座番号：00140-3-730290）あるいは銀行振込（ゆうちょ銀
行、０１９店(ゼロイチキュウと入力)、当座、0730290	
  名前：ニホンコウゴウセイガッカイ）にて送
金の上、次ページの申し込み用紙、または電子メールにて、氏名、所属、住所、電話番号、ファック
ス番号、電子メールアドレス、入会希望年を事務局までお知らせください。
★会費納入のお願い
	  学会の運営は、皆様に納めていただいております年会費によりまかなわれております。当該年度の会費が未納の場合、光合成研究が送られてくる封筒に、会費未納が印字されています。ご都合のつくときに、会費を納入ください。１年間会費を滞納された場合、次年度よりお名前が会員名簿から削除
され、光合成研究は届かなくなります。再入会される場合は、未納の分もあわせてお支払いいただきます。会費納入状況などにつきましては、ご遠慮なく事務局（sonoike@waseda.jp）までお問い合わせください。会員の皆様のご理解とご協力をお願い申し上げます。
★訃報	  Hans Matthijs 博士（アムステルダム大学）が本年 4 月 17 日にご逝去されました。ご冥福をお祈りし、哀悼の意を表します。http://ibed.uva.nl/news-events/news/content/2016/05/hans-matthijs-passed-away.html

240光合成研究	  26 (3) 2016

日本光合成学会会員入会申込書

平成	
  	
  年	
  	
  月	
  	
  日
日本光合成学会御中	  私は日本光合成学会の趣旨に賛同し、平成	  	
  年より会員として入会を申し込みます。

[	  ]内に会員名簿上での公開承諾項目に◯印をつけてください[ 	  ]	
  氏名（漢字）（必須）
氏名（ひらがな）
氏名（ローマ字）
[	
 

]

所属

[	
 

]

住所 1

〒
[ 	
  ]

住所 2（自宅の方または会誌送付先が所属と異なる場合にのみ記入）

〒
[	
 

]

TEL1	
 

[	
 

]

TEL2（必要な方のみ記入）

[	
 

]

FAX

[	
 

]

E-mail個人会員年会費

1,500 円

（会誌、研究会、ワークショップなどの案内を含む）

賛助法人会員年会費

50,000 円（上記と会誌への広告料を含む）（振込予定日：平成	
  	
  年	
  	
  月	
  	
  日）（会員資格は１月１日～１２月３１日を単位とします）＊	  複数年分の会費を先払いで振り込むことも可能です。その場合、通信欄に（何年度～何年度分）とお書き下さい。

連絡先〒700-8530	
  岡山県岡山市北区津島中 3-1-1
岡山大学	
 異分野基礎科学研究所	
 高橋裕一郎 研究室内
日本光合成学会
TEL : 086-251-7861
FAX : 086-251-7876
ホームページ: http://photosyn.jp

郵便振替口座	  加入者名：日本光合成学会	
  口座番号：00140-3-730290
銀行振込の場合	  ゆうちょ銀行、０１９店(ゼロイチキュウと入力)、当座、0730290
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  名前：ニホンコウゴウセイガッカイ

241光合成研究	  26 (3) 2016

日本光合成学会会則
第１条	
  名称
本会は日本光合成学会（The Japanese Society of Photosynthesis Research）と称する。
第２条	
  目的
本会は光合成の基礎および応用分野の研究発展を促進し、研究者相互の交流を深めることを目的とす
る。
第３条	
  事業
本会は前条の目的を達成するために、シンポジウム開催などの事業を行う。
第４条	
  会員
１．定義
本会の目的に賛同する個人は、登録手続を経て会員になることができる。また、団体、機関は、賛助会員になることができる。
２．権利会員および賛助会員は、本会の通信および刊行物の配布を受けること、本会の主催する行事に参加することができる。会員は、会長を選挙すること、役員に選出されることができる。
３．会費
会員および賛助会員は本会の定めた年会費を納めなければならない。
第５条	
  組織および運営
１．役員
本会の運営のため、役員として会長 1 名、事務局長 1 名、会計監査 1 名、常任幹事若干名をおく。役
員の任期は２年とする。会長、常任幹事は連続して二期を越えて再任されない。事務局長は五期を越えて再任されない。会計監査は再任されない。
２．幹事
幹事数名をおく。幹事の任期は 4 年とする。幹事の再任は妨げない。
３．常任幹事会
常任幹事会は会長と常任幹事から構成され、会長がこれを招集し議長となる。常任幹事会は本会の運営に係わる事項を審議し、これを幹事会に提案する。事務局長と会計監査は、オブザーバーとして常任幹事会に出席することができる。
４．幹事会
幹事会は役員と幹事から構成され、会長がこれを招集し議長となる。幹事会は、常任幹事会が提案した本会の運営に係わる事項等を審議し、これを決定する。
５．事務局
事務局をおき、事務局長がこれを運営する。事務局は、本会の会計事務および名簿管理を行う。
６．役員および幹事の選出
会長は会員の直接選挙により会員から選出される。事務局長、会計監査、常任幹事は会長が幹事の中から指名し、委嘱する。幹事は常任幹事会によって推薦され、幹事会で決定される。会員は幹事を常任幹事会に推薦することができる。
第６条	
  総会
１．総会は会長が招集し、出席会員をもって構成する。議長は出席会員から選出される。
２．幹事会は総会において次の事項を報告する。
１）前回の総会以後に幹事会で議決した事項
２）前年度の事業経過
３）当年度および来年度の事業計画
３．幹事会は総会において次の事項を報告あるいは提案し、承認を受ける。

242

光合成研究	  26 (3) 2016１）会計に係わる事項
２）会則の変更
３）その他の重要事項
第７条	
  会計
本会の会計年度は 1 月 1 日から 12 月 31 日までとする。当該年度の経理状況は、総会に報告され、その承認を受ける。経理は、会計監査によって監査される。本会の経費は、会費および寄付金による。
付則第１	
  年会費は個人会員 1,500 円、賛助会員一口 50,000 円とする。
第２	
  本会則は、平成 14 年 6 月 1 日から施行する。
第３	
  本会則施行後第一期の会長、事務局長、常任幹事にはそれぞれ、第５条に定める規定にかかわらず、平成 14 年 5 月 31 日現在の会長、事務局担当幹事、幹事が再任する。本会則施行後第一期の役
員および幹事の任期は、平成 14 年 12 月 31 日までとする。
第４	
  本会則の改正を平成 21 年 6 月 1 日から施行する。

日本光合成学会の役員選出に関する申し合わせ
平成 27 年 5 月 27 日	
  幹事会
１．選挙管理委員会
本会の選挙を公正に実施するため、選挙管理委員会を置く。選挙管理委員 2 名は常任幹事会が幹事会に推薦し、決定する。選挙管理委員の互選により委員長を選出する。
２．会長［会則第５条第６項］
１）幹事および常任幹事による若干名の候補者の推薦方法
幹事は、会長選挙に推薦する候補者としてふさわしい会員を 3 名連記で投票する。投票結果が上位の会員について、常任幹事会は、本人の意向を確認した上で、若干名を推薦候補者として決定する。選
挙事務は事務局長が執り行う。
２）会長選挙会長選挙の実施に当たっては、会員に推薦候補者を提示し、全会員による単記無記名投票を実施する。
最高得票者を、次期会長とする。得票数が同数の場合は、抽選により決定する。選挙事務は選挙管理委員会が執り行う。

日本光合成学会の運営に関する申し合わせ
１．幹事会
幹事は光合成及びその関連分野の研究を行うグループの主催者である等、日本の光合成研究の発展に顕著な貢献をしている研究者とする。任期は 4 年とするが、原則として再任されるものとする。
２．事務局
事務局長の任期は 2 年とするが、本会の運営を円滑に行うため、約 5 期（10 年）を目途に再任されることが望ましい。
３．次期会長会長の引き継ぎを円滑に行うため、次期会長の選挙は任期の 1 年前に行う。
４．常任幹事会
常任幹事会の運営を円滑におこなうため、次期会長は常任幹事となる。

243

光合成研究	  26 (3) 2016

幹事会名簿
秋本誠志

神戸大学大学院理学研究科

鈴木祥弘

神奈川大学理学部

粟井光一郎

静岡大学学術院理学領域

園池公毅

早稲田大学教育学部

池内昌彦

東京大学大学院総合文化研究科

高市真一

日本医科大学生物学教室

石北	
  央

東京大学大学院工学研究科

高橋裕一郎

岡山大学異分野基礎科学研究所

泉井	
  桂

近畿大学生物理工学部生物工学科

田中	
  歩

北海道大学低温科学研究所

伊藤	
  繁

名古屋大学

田中	
  寛

東京工業大学資源化学研究所

井上和仁

神奈川大学理学部

田中亮一

北海道大学低温科学研究所

伊福健太郎

京都大学大学院生命科学研究科

民秋	
  均

立命館大学総合理工学院

臼田秀明

帝京大学医学部

都筑幹夫

東京薬科大学生命科学部

榎並	
  勲

東京理科大学出羽毅久

名古屋工業大学大学院工学研究科

得平茂樹

首都大学東京大学院理工学研究科

寺島一郎

東京大学大学院理学系研究科

遠藤	
  剛

京都大学大学院生命科学研究科

鞆	
  達也

東京理科大学理学部

大岡宏造

大阪大学大学院理学研究科

仲本	
  準

埼玉大学大学院理工学研究科

大杉	
  立

東京大学大学院農学生命科学研究科

永島賢治

神奈川大学

太田啓之

東京工業大学成川	
  礼

静岡大学大学院理学研究科

バイオ研究基盤支援総合センター

南後	
  守

大阪市立大学大学院理学研究科

大友征宇

茨城大学理学部

西田生郎

埼玉大学大学院理工学研究科

大政謙次

東京大学大学院農学生命科学研究科

西山佳孝

埼玉大学大学院理工学研究科

小川健一

岡山県農林水産総合センター

野口	
  航

東京薬科大学生命科学部

生物科学研究所野口	
  巧名古屋大学理学研究科

小野高明

茨城大学工学部生体分子機能工学科

長谷俊治

大阪大学蛋白質研究所

小保方潤一

京都府立大学・生命環境科学研究科

林	
  秀則

愛媛大学プロテオサイエンスセンター

小俣達男

名古屋大学大学院生命農学研究科

原登志彦

北海道大学低温科学研究所

垣谷俊昭

名古屋大学

彦坂幸毅

東北大学大学院生命科学研究科

菓子野康浩

兵庫県立大学理工学部

久堀	
  徹

東京工業大学研究院化学生命科学研究所

柏山祐一郎

福井工業大学環境情報学部

日原由香子

埼玉大学大学院理工学研究科

金井龍二

埼玉大学

檜山哲夫

埼玉大学

神谷信夫

大阪市立大学大学院理学研究科

福澤秀哉

京都大学大学院生命科学研究科

熊崎茂一

京都大学大学院理学研究科

藤田祐一

名古屋大学大学院生命農学研究科

栗栖源嗣

大阪大学蛋白質研究所

古本	
  強

龍谷大学農学部

小池裕幸

中央大学理工学部

前	
  忠彦

東北大学

小林正美

筑波大学大学院数理物質科学研究科

牧野	
  周

東北大学大学院農学研究科

坂本	
  亘

岡山大学資源生物科学研究所

増田真二

東京工業大学佐賀佳央

近畿大学理工学理学科

櫻井英博

早稲田大学

増田	
  建

東京大学大学院総合文化研究科

佐藤公行

岡山大学

松浦克美

首都大学東京都市教養学部

佐藤直樹

東京大学大学院総合文化研究科

松田祐介

関西学院大学理工学部

佐藤文彦

京都大学大学院生命科学研究科

真野純一

山口大学農学部

鹿内利治

京都大学大学院理学研究科

皆川	
  純

基礎生物学研究所重岡	
  成

近畿大学農学部

宮尾光恵	
 東北大学大学院農学研究科	
 篠崎一雄

理化学研究所植物科学研究センター

宮下英明

京都大学大学院地球環境学堂

島崎研一郎

九州大学大学院理学研究院

宮地重遠

海洋バイオテクノロジー研究所

嶋田敬三

首都大学東京宗景(中島)ゆり関西学院大学理工学部

白岩義博

筑波大学生物科学系

村田紀夫

基礎生物学研究所

沈	
  建仁

岡山大学大学院自然科学研究科

本橋	
  健*

京都産業大学総合生命科学部

杉浦昌弘

名古屋市立大学

横田明穂

奈良先端科学技術大学院大学

バイオ研究基盤支援総合センター

大学院システム自然科学研究科
杉浦美羽

愛媛大学プロテオサイエンスセンター

杉田	
  護

名古屋大学遺伝子実験施設

杉山達夫

名古屋大学

バイオサイエンス研究科
和田	
  元東京大学大学院総合文化研究科*平成 28 年度より新幹事244光合成研究	  26 (3) 2016
編集後記	
 寒さ厳しきおり、いかがお過ごしでしょうか。この 2 年間、編集長として精一杯がんばってきました。
慣れない編集作業に戸惑いつつも、私を励ましてくれたのは多くの投稿でした。若手の方を中心に実にレベルの高い原稿をたくさん受け取りました。中堅、シニアの方々からも立派な原稿をいただきました。皆さんの情熱に後押しされたように思います。執筆者の方々には、この場を借りてあらためて御礼申し上げます。次号から伊福健太郎さんが編集長を務められます。どうぞご期待ください。
	  田中亮一さんと柏山祐一郎さんには、第 7 回光合成学会シンポジウムの特集号を組んでいただきました。光合成色素は日本が誇る研究分野だと思います。この特集号を読むだけで、光合成色素の最前線をおおよそ把握することができるのではないでしょうか。
	  第 6 回ポスター賞受賞の横山諒さんには、ご自身の研究を紹介しつつ、チラコイド膜構築に関する最新の知見を解説していただきました。見事なレビューだと思います。また、第 7 回ポスター賞受賞の寺村美里さんには、緑色硫黄細菌のクロロフィル合成経路に関する新たな発見を紹介していただきました。
	  今号に関するご意見や本誌に対するご要望がございましたら、ぜひ編集長までお伝えください。
	  研究紹介や解説を随時受け付けておりますので、奮ってご投稿ください。表紙の写真も募集していますのでよろしくお願いいたします。
	  最後に−−−−−学生時代に感銘を受けたハイゼンベルクの『部分と全体』（山崎和夫訳、みすず書房）
を最近読み返してみました。自然科学が自然との対話でもあり、人との（「偉大な出会い」との）対話でもあることをあらためて実感しました。プラトンの対話篇から脈々と続く系譜です。実用主義全盛の時代にあって、「知」を語り合い、語り継ぐことの大切さを痛感します。
編集長・西山 佳孝（埼玉大学）

記事募集
	  日本光合成学会では、会誌に掲載する記事を会員の皆様より募集しています。募集する記事の項目は以下の通りです。
¡ トピックス：光合成及び関連分野での纏まりのよいトピックス的な記事。
¡ 解説：光合成に関連するテーマでの解説記事。
¡ 研究紹介：最近の研究結果の紹介。特に、若手、博士研究員の方からの投稿を期待しています。
¡ 集会案内：研究会、セミナー等の案内。
¡ 求人：博士研究員、専門技術員等の募集記事。
¡ 新刊図書：光合成関係、または会員が執筆・編集した新刊図書の紹介。書評も歓迎します。
	  記事の掲載を希望される方は、次期編集長の伊福健太郎（ifuku@kais.kyoto-u.ac.jp）までご連絡
ください。

245

光合成研究	  26 (3) 2016
「光合成研究」編集委員会	
 編集長

西山 佳孝（埼玉大学）

編集委員

田中 亮一（北海道大学）

編集委員

伊福 健太郎（京都大学）

編集委員

粟井 光一郎（静岡大学）

日本光合成学会	
  2016年度役員
会長

高橋 裕一郎（岡山大学）

事務局長

園池 公毅（早稲田大学）

常任幹事

田中 歩（北海道大学）

前会長

常任幹事

鹿内 利治（京都大学）

前事務局長

常任幹事

池内 昌彦（東京大学）

常任幹事

野口 航（東京薬科大学）

前編集長

常任幹事

西山 佳孝（埼玉大学）

編集長

常任幹事

久堀 徹（東京工業大学）

渉外

常任幹事

日原 由香子（埼玉大学）

年会2013年

常任幹事

熊崎 茂一（京都大学）

年会2014年

常任幹事柏山	
 祐一郎（福井工業大学）年会2016年

常任幹事

杉浦 美羽（愛媛大学）

常任幹事

松田 祐介（関西学院大学） 年会2015年

常任幹事鞆 達也（東京理科大学）

会計監査伊藤 繁（名古屋大学）

ホームページ

加藤 裕介（岡山大学）

年会2017年
光生物学協会

光合成研究	
  第 26 巻	
  第 3 号	  （通巻 77 号）	
  2016 年 12 月 31 日発行

日	
  本	
  光	
  合	
  成	
  学	
  会
〒700-8530	
  岡山県岡山市北区津島中 3-1-1
岡山大学	
 異分野基礎科学研究所	
 高橋裕一郎 研究室内
TEL : 086-251-7861
FAX : 086-251-7876
e-mail : jspr@photosyn.jp
ホームページ : http://photosyn.jp/
郵便振替口座	  加入者名：日本光合成学会	
  口座番号：00140-3-730290
銀行振込の場合	  ゆうちょ銀行、０１９店(ゼロイチキュウと入力)、当座、0730290
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  名前：ニホンコウゴウセイガッカイ

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