大型放射光施設 SPring-8

公開日

2016年09月17日

2016年9月15日
理化学研究所
慶應義塾大学

※研究チーム

背景
　1880年にチャールズ・ダーウィンと息子のフランシスは『The power of movements in plants（植物の運動力）』という本を著しました。この中で、彼らは、植物が行うさまざまな屈曲運動を報告しています。その中でも、大きく興味を引かれるのが、光の方向に植物の茎などが屈曲する「光屈性」と呼ばれる現象です。その117年後（1997年）に、光屈性を示さないシロイヌナズナの研究から、タンパク質「フォトトロピン1」が青色光受容体として光屈性の初発反応を担っていることが明らかになりました。その後の研究から、フォトトロピンは高等植物において、光屈性だけではなく、青色光強度に応じた葉緑体の集合や逃避運動、気孔開口や葉の展開を制御していることが明らかになりました。これらの個体運動制御は光合成の効率を個体レベルで最適化するものであることも明らかになりました。
　フォトトロピン1は青色光で制御されるリン酸化酵素で、約1,000個のアミノ酸と光を受容するための低分子フラビンモノヌクレオチド2個で構成され、LOV1、LOV2と名付けられた二つの青色光受容ドメインとリン酸化酵素ドメインに折り畳まれていると考えられています。各LOVドメインには、フラビンモノヌクレオチド1分子が結合しています。LOV2が青色光受容すると、その信号がリン酸化酵素ドメインに伝達され、他のタンパク質をリン酸化してさまざまな細胞運動を誘起します。青色光という物理刺激をリン酸化という生体内信号に変換するしくみを知るためには、それらの配置や青色光照射での変化を知る必要があります。

研究手法と成果　
　フォトトロピン1の全長を大腸菌などで大量に発現することはいまだに困難で、LOV1とLOV2ドメインの結晶構造および、リン酸化酵素ドメインのバイオインフォマティクス^[5]による予測構造が知られているのみです。今回、研究チームは、SPring-8のビームラインBL45XUにおいて、Ｘ線小角散乱法により、フォトトロピン1の機能最小単位であるLOV2-リン酸化酵素ドメインの青色光受容に伴う構造変化や、青色光受容したLOV2の構造変化の信号をリン酸化ドメインに伝達しているアミノ酸を調べることにしました。Ｘ線小角散乱法では、高純度に精製したタンパク質溶液にＸ線を照射し、得られる散乱パターンからタンパク質の低分解能構造を推定することが可能です。特にBL45XUでは、アンジュレータ^[6]から得られるＸ線を集光して試料に照射するため、極微量のタンパク質溶液試料の測定が可能です。
　まず野生型のLOV2-リン酸化酵素ドメインについて測定を行ったところ、この機能単位が二つ組み合わさって存在していること（二量体）が明らかとなりました。また、暗中と青色光照射下での測定を行い、青色光照射によって分子の形が変化することを見出しました（図１）。散乱パターンから予測された分子の形に対して、これまでに得られている各ドメインの構造モデルを当てはめたところ、青色光受容によってLOV2とリン酸化ドメインの相対位置が変化していることが分かりました。さらに、青色光照射によってLOV2の励起が起こらない変異体、青色光受容後のリン酸化活性が低下する変異体についても、暗中と青色光照射下でX線小角散乱法による測定を行いました。その結果、野生型で観測された構造変化が青色光受容で励起されたLOV2がリン酸化酵素ドメインを制御していることの直接的証拠であることが示され、また、青色光受容で励起されたLOV2からリン酸化酵素ドメインに構造変化を伝達するアミノ酸が見出されました。

今後の期待
　研究チームでは、これまでに、シロイヌナズナのフォトトロピン2、藻類のフォトトロピンについて研究を行ってきました。これまでの研究と今回のフォトロロピン1の結果を併せると、LOV2ドメインとリン酸化酵素ドメインの間にある連結部分に、青色光受容LOV2からリン酸化酵素ドメインへの分子内構造変化伝達のカギとなる構造があることが確かになりました。今後は、分子の全体構造を原子レベルで明らかにする必要があります。
　フォトトロピンのような光受容分子は、光を利用して細胞を制御するオプト・ジェネティクスに利用され始めています。しかし、その分子機構が未解明であるため、フォトトロピンにおいて光刺激をリン酸化に変換できる機構を解明できれば、デザインされたオプト・ジェネティクスの展開が可能になると期待されます。

【用語解説】
[1] フォトトロピン
　植物の青色光受容タンパク質の一種。茎などが光の方向に曲がる現象の光屈性（フォトトピズム）に関わっており、これが語源となっている。多くの植物にはフォトトロピン1とフォトトロピン2の2種類がある。

[2] SPring-8
理研が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す施設。その運転管理と利用者支援は高輝度光科学研究センターが行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いての基礎科学からリチウムイオン電池や製薬などの産業利用までの幅広い研究が行われている。

[3] Ｘ線小角散乱法
X線を物質に照射して散乱するX線のうち、散乱角が小さいものを測定することにより物質の構造情報を得る手法で、タンパク質や核酸などの生体高分子、微粒子や液晶、合金の内部構造といった数nmでの構造解析に用いる。例えば、超臨界流体のような系では、その中・長距離構造を粗密な領域からなる不均一構造（密度ゆらぎ）や密度ゆらぎの相関距離といった構造パラメータにより、定量的に評価することが可能となる。

[4] 光センシング
光を対象物に照射することで生じる相互作用を観測し、対象物の構造・特性を非破壊的調べる技術である。最近では医療診断分野において積極的に応用され、光干渉断層法や血糖値計測、血液中の酸素濃度測定などが研究されている。

[5] バイオインフォマティクス
応用数学、情報学、統計学、計算機科学などの技術応用によって生物学の問題を解こうとする学問。「生命情報学」「生物情報学」などと訳される。近年、多くの生物を対象に実施されているゲノムプロジェクトや構造ゲノムプロジェクトによって、大量のバイオ関連情報が得られるようになり、それらの情報をタンパク質の系統解析、構造予測、相互作用予測など有用なバイオインフォマティクス技術につなげることが求められている。

[6] アンジュレータ
　NとSの磁極を交互に上下に配置し、その間を通り抜ける電子を周期的に小さく蛇行させ、特定の波長を持った光を作り出す装置。SPring-8では、世界に先駆けて開発した真空封止型アンジュレータや27mにおよぶ長尺アンジュレータなどを整備し、世界最高レベルの放射光発生を実現している。X線自由電子レーザー施設用に開発したアンジュレータは、1台の長さが約5mであり、1台あたり277周期で磁石が交互に配列されている。