助成番号 151183５－２	 

研	 究	 成	 果	
 報	 告	 書	 	 （国立情報学研究所の民間助成研究成果概要データベース・登録原稿）	 
	 研究テーマ	 （和文） ＡＢ	 植物・藻類がもつ酸素発生中心 Mn4CaO5 クラスターの解離様式の理解	 研究テーマ	 （欧文） ＡＺ	 Understanding	  of	  the	  dissociate	  mechanism	  of	  the	  oxygen-evolving	  center	 ‘Mn4CaO5-cluster’from	 higher	 plants	 and	 cyanobacteria	 

研	 ｶﾀｶﾅ	 ＣＣ	  姓）カワカミ	 究氏	 代	 
漢字	 ＣＢ	  川上	 表名	 ﾛｰﾏ字	 ＣＺ	  Kawakami	 者	 名）ケイスケ	 研究期間	 Ｂ	 ２０１６	
 ～	 ２０１７	 年	 恵典	 報告年度	 ＹR	 ２０１６	 年	 Keisuke	 研究機関名	 大阪市立大学	 研究代表者	 ＣＤ	 大阪市立大学複合先端研究機構・特任准教授	 所属機関・職名	 概要 ＥＡ (600 字～800 字程度にまとめてください。)	 植物や藻類のチラコイド膜内に存在する光化学系 II 複合体（PSII）は、分子状酸素を発生させる酸素発生触媒「Mn4CaO5 クラスター」をもつ。本研究では、還元試薬の１つであるヒドロキシルアミン（NH2OH）によって Mn4CaO5 クラスターを還元・解離させ、この解離反応を高分解能時間分割 X 線結晶構造解析によって明らかにすることを行なった。この研究によって、Mn4CaO5 クラスターの構成原子である Mn,	 Ca と、Mn4CaO5クラスターの構造安定化に寄与しているアミノ酸配位子との結合親和性が明らかとなり、還元反応によって引き起こされる PSII 内部の構造変化、特に水分解時に機能するプロトン放出・水流入経路の構造変化を三次元構造として取得でき、PSII 内で引き起こされる還元反応について詳細に理解できるようになった。	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 
	 

図

1.

A:5

mMNH2OH-PSII の構造。B:20 mM NH2OH-PSII の構造。C: Native-PSII 構造, 5 mM NH2OH-PSII構造,20mMNH2OH-PSII 構造の重ね合わせを行なった図。

図 1 は、本研究を進める上で行なった高濃度 NH2OH（5	 mM,	 	 20	 mM）処理の PSII 構造であり、それぞれ約 2.0	 Å 分解能の X 線回折強度データを得ている。図中の半透明の構造は、Mn4CaO5 クラスターが解離していない Native-PSII 構造を示している。5	 mM	 NH2OH-PSII 構造において、Mn4CaO5 クラスターが完全に解離して 1 個の Mn が 2 つに乱れた状態に存在し（MnA,	 MnB）、その内の 1 個は His332/D1 と水素結合距離の位置に存在していた。このことから、残った 1 個の Mn は Native-PSII 構造において His332/D1 と配位結合していた Mn1 に対応することが示唆され、Mn2	 ~	 Mn4 の 3 個の Mn はすでに遊離していることを構造学的に特定でき、さらに Mn4CaO5 クラスターの配位子の大きな構造変化を観測することに初めて成功した。一方 Caは、Native-PSII 構造の配置から大きく移動し、Native-PSII 構造では相互作用していなかった Gln165/D1と Glu189/D1 と結合し、PSII 結晶の凍結に用いる溶液に含まれるジメチルスルホキシド（DMSO）が結合していた。一方 20	 mM	 NH2OH-PSII 構造において、5	 mM	 NH2OH-PSII 構造では 2 つに乱れていた 1 個の Mn（MnA,	 MnB）が MnA のみとなってその位置で構造安定化していることを明らかにし、NH2OH の処理濃度を変えることで Mn4CaO5 クラスターの解離変化を追跡できることを確認した（図 1-C）。現在、これらのデータをまとめ、論文投稿準備を進めている。	 
	 キーワード	 ＦＡ	 光合成	 
	 （以下は記入しないでください。）	 酸素発生	 助成財団ｺｰﾄﾞ	 ＴＡ	 	 	 	 	 研究機関番号	 ＡＣ	 	 	 	 	 	 酸素発生触媒	 研究課題番号	 ＡＡ	 	 シート番号	 	 -	 1	 -	 	 還元	 	 	 	 	 	 	 	 	  発表文献（この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）	 論文標題ＧＢ	  	 雑	 誌	 著者名	 ＧＡ	 	 ページ	 ＧＦ	 雑誌名	 ＧＣ	 	 発行年	 ＧＥ	 	 雑誌名	 ＧＣ	 	 発行年	 ＧＥ	 	 雑誌名	 ＧＣ	 

	 ～	 発行年	 ＧＥ	 	 	 ～	 	 	 	 

巻号	 ＧＤ	 	 	 	 

	 巻号	 ＧＤ	 	 	 	 	 

	 巻号	 ＧＤ	 	 発行年	 ＨＤ	 	 	 	 	 総ﾍﾟｰｼﾞ	 ＨＥ	  	 発行年	 ＨＤ	 	 	 	 	 総ﾍﾟｰｼﾞ	 ＨＥ	  	 論文標題ＧＢ	  	 雑	 誌	 著者名	 ＧＡ	 	 ページ	 ＧＦ	 ～	 論文標題ＧＢ	  	 雑	 誌	 著者名	 ＧＡ	 	 ページ	 ＧＦ	 著者名	 ＨＡ	 	 

書名	 ＨＣ	 	 図	 書	 出版者	 ＨＢ	 著者名	 ＨＡ	 	 

書名	 ＨＣ	 	 図	 書	 出版者	 ＨＢ	 	 欧文概要 ＥＺ	 	 Oxygen-evolving	 photosystem	 II	 (PSII)	 existed	 in	 the	 thylakoid	 membranes	 from	 higher	 plants	 and	 cyanobacteria	 includes	 the	 Mn4CaO5-cluster,	 producing	 oxygen	 molecule	 by	 water-splitting	 reaction.	 In	 this	 study,	 we	 performed	 the	 high-resolution	 time-resolved	 X-ray	 crystal	 structure	 analysis	 of	 the	 Mn4CaO5-clustere	 depletion	 structure	 using	 hydroxylamine	 (NH2OH),	 one	 of	 the	 reducing	 reagents,	 which	 can	 dissociate	 the	 Mn4CaO5-cluster.In	 conclusions,	 	 	 	 F i g u r e 	 1 . 	 A:	 Structure	 	 of	  NH2OH-PSII.	  B:	 	 Structure	  of	  20	  mM	 NH2OH-PSII.	 

C:	 Superposition	  of	  the	 structures	 (native-PSII,	 5	 mM	 NH2OH-PSII,	  and	  20	  mM	 	 	 NH2OH-PSII)	 Figure	  1	  shows	  the	  structures	  of	  high-concentrated	  NH2OH-PSII	  at	  around	  2.0	  Å	  resolution,	 respectively.	 Translucent	 structure	 in	 figure	 1	 shows	 native-PSII	 which	 the	 Mn4CaO5-cluster	 dose	 not	 dissociate.	 We	 demonstrated	 the	 structure	 of	 PSII	 which	 the	 Mn4CaO5-cluster	 dissociated,	 and	  	 confirmed	 that	 we	 can	 analyze	 a	 dissociation	 change	 of	 the	 Mn4CaO5-cluster	 by	 the	 treatment	 of	 various	 NH2OH	 concentrations.	 	 	 	 	 	 -	 2	 -