2022/07/29 更新

写真a

ウメナ ヤスフミ
梅名 泰史
UMENA Yasufumi
所属
シンクロトロン光研究センター シンクロトロン光利用研究部門 准教授
職名
准教授

学位 1

  1. 博士(理学) ( 2007年6月   大阪大学 ) 

 

論文 15

  1. Dynamic interactions in the l-lactate oxidase active site facilitate substrate binding at pH4.5. 査読有り

    Furubayashi N, Inaka K, Kamo M, Umena Y, Matsuoka T, Morimoto Y

    Biochemical and biophysical research communications   568 巻   頁: 131 - 135   2021年9月

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    記述言語:英語  

    DOI: 10.1016/j.bbrc.2021.06.078

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  2. Capturing structural changes of the S-1 to S-2 transition of photosystem II using time-resolved serial femtosecond crystallography 査読有り

    Li Hongjie, Nakajima Yoshiki, Nomura Takashi, Sugahara Michihiro, Yonekura Shinichiro, Chan Siu Kit, Nakane Takanori, Yamane Takahiro, Umena Yasufumi, Suzuki Mamoru, Masuda Tetsuya, Motomura Taiki, Naitow Hisashi, Matsuura Yoshinori, Kimura Tetsunari, Tono Kensuke, Owada Shigeki, Joti Yasumasa, Tanaka Rie, Nango Eriko, Akita Fusamichi, Kubo Minoru, Iwata So, Shen Jian-Ren, Suga Michihiro

    IUCRJ   8 巻 ( Pt 3 ) 頁: 431 - 443   2021年5月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:IUCrJ  

    Photosystem II (PSII) catalyzes light-induced water oxidation through an S i-state cycle, leading to the generation of di-oxygen, protons and electrons. Pump-probe time-resolved serial femtosecond crystallography (TR-SFX) has been used to capture structural dynamics of light-sensitive proteins. In this approach, it is crucial to avoid light contamination in the samples when analyzing a particular reaction intermediate. Here, a method for determining a condition that avoids light contamination of the PSII microcrystals while minimizing sample consumption in TR-SFX is described. By swapping the pump and probe pulses with a very short delay between them, the structural changes that occur during the S1-to-S2 transition were examined and a boundary of the excitation region was accurately determined. With the sample flow rate and concomitant illumination conditions determined, the S2-state structure of PSII could be analyzed at room temperature, revealing the structural changes that occur during the S1-to-S2 transition at ambient temperature. Though the structure of the manganese cluster was similar to previous studies, the behaviors of the water molecules in the two channels (O1 and O4 channels) were found to be different. By comparing with the previous studies performed at low temperature or with a different delay time, the possible channels for water inlet and structural changes important for the water-splitting reaction were revealed.

    DOI: 10.1107/S2052252521002177

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  3. Estimation of the relative contributions to the electronic energy transfer rates based on Förster theory: The case of C-phycocyanin chromophores. 査読有り

    Mishima K, Shoji M, Umena Y, Boero M, Shigeta Y

    Biophysics and physicobiology   18 巻   頁: 196 - 214   2021年

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    記述言語:英語  

    DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v18.021

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  4. Mn の価数分析に向けたレーザー加工による光化学 II 蛋白質結晶の改良 査読有り

    梅名 泰史, 川上 恵典, 河野 能顕, 山本 雅貴, 神谷 信夫, 沈 建仁

    SPring-8/SACLA利用研究成果集   9 巻 ( 4 ) 頁: 177 - 181   2021年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:公益財団法人 高輝度光科学研究センター  

    光合成で働く光化学系 II 蛋白質(PSII)の活性中心 Mn<sub>4</sub>CaO<sub>5</sub> クラスターの Mn は III 価と IV 価と考えられているが、具体的な各 Mn の価数は議論中である。本研究では、Mn の K- 吸収端波長で測定した異常分散項の電子密度マップから価数の分析を計画した。しかし、不均一な厚みの結晶ではX線吸収が変動するため、異常分散項の測定精度が課題であった。本研究は、UV レーザー加工機によって PSII 結晶を円柱状に加工することで回折強度データを改善した報告である。

    DOI: 10.18957/rr.9.4.177

  5. Formation of the High-Spin S-2 State Related to the Extrinsic Proteins in the Oxygen Evolving Complex of Photosystem II 査読有り

    Taguchi Shota, Shen Liangliang, Han Guangye, Umena Yasufumi, Shen Jian-Ren, Noguchi Takumi, Mino Hiroyuki

    JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS   11 巻 ( 20 ) 頁: 8908 - 8913   2020年10月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:Journal of Physical Chemistry Letters  

    The high-spin S2 state was investigated with photosystem II (PSII) from spinach, Thermosynechococcus vulcanus, and Cyanidioschyzon merolae. In extrinsic protein-depleted PSII, high-spin electron paramagnetic resonance (EPR) signals were not detected in either species, whereas all species showed g ∼5 signals in the presence of a high concentration of Ca2+ instead of the multiline signal. In the intact and PsbP/Q-depleted PSII from spinach, the g = 4.1 EPR signal was detected. These results show that formation of the high-spin S2 state of the manganese cluster is regulated by the extrinsic proteins through a charge located near the Mn4 atom in the Mn4CaO5 cluster but is independent of the intrinsic proteins. The shift to the g ∼5 state is caused by tilting of the z-axis in the Mn4 coordinates through hydrogen bonds or external divalent cations. The structural modification may allow insertion of an oxygen atom during the S2-to-S3 transition.

    DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c02411

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  6. X-ray fluorescence holography for soft matter 査読有り

    Ang Artoni Kevin R., Sato-Tomita Ayana, Shibayama Naoya, Umena Yasufumi, Happo Naohisa, Marumi Riho, Kimura Koji, Matsushita Tomohiro, Akagi Kazuto, Sasaki Takahiko, Sasaki Yuji C., Hayashi Kouichi

    JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS   59 巻 ( 1 )   2020年1月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:Japanese Journal of Applied Physics  

    X-ray fluorescence holography (XFH) is a technique that can directly image the 3D arrangement of atoms around an element in a sample. The holograms contain both intensity and phase information, allowing atomic reconstruction without needing prior structural information or a tentative structural model. XFH has already been used to reveal the local structures of various inorganic samples, and recently, work has begun on XFH for soft matter. In this paper, we review the progress of XFH on soft materials. First, we review the fundamental principles of XFH. Second, we review inverse mode XFH on soft materials, and the results of the experiments on hemoglobin, myoglobin, and κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br crystals. In the last section, we report the progress of the development of normal mode holography for soft materials. The new apparatus and scanning method is described, and results of the initial tests on the protein Photosystem II are discussed.

    DOI: 10.7567/1347-4065/ab5d55

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  7. An alternative plant-like cyanobacterial ferredoxin with unprecedented structural and functional properties 査読有り

    Motomura Taiki, Zuccarello Lidia, Setif Pierre, Boussac Alain, Umena Yasufumi, Lemaire David, Tripathy Jatindra N., Sugiura Miwa, Hienerwadel Rainer, Shen Jian-Ren, Berthomieu Catherine

    BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-BIOENERGETICS   1860 巻 ( 11 ) 頁: 148084   2019年11月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics  

    Photosynthetic [2Fe-2S] plant-type ferredoxins have a central role in electron transfer between the photosynthetic chain and various metabolic pathways. Several genes are coding for [2Fe–2S] ferredoxins in cyanobacteria, with four in the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus. The structure and functional properties of the major ferredoxin Fd1 are well known but data on the other ferredoxins are scarce. We report the structural and functional properties of a novel minor type ferredoxin, Fd2 of T. elongatus, homologous to Fed4 from Synechocystis sp. PCC 6803. Remarkably, the midpoint potential of Fd2, Em = −440 mV, is lower than that of Fd1, Em = −372 mV. However, while Fd2 can efficiently react with photosystem I or nitrite reductase, time-resolved spectroscopy shows that Fd2 has a very low capacity to reduce ferredoxin-NADP+ oxidoreductase (FNR). These unique Fd2 properties are discussed in relation with its structure, solved at 1.38 Å resolution. The Fd2 structure significantly differs from other known ferredoxins structures in loop 2, N-terminal region, hydrogen bonding networks and surface charge distributions. UV–Vis, EPR, and Mid- and Far-IR data also show that the electronic properties of the [2Fe–2S] cluster of Fd2 and its interaction with the protein differ from those of Fd1 both in the oxidized and reduced states. The structural analysis allows to propose that valine in the motif Cys53ValAsnCys56 of Fd2 and the specific orientation of Phe72, explain the electron transfer properties of Fd2. Strikingly, the nature of these residues correlates with different phylogenetic groups of cyanobacterial Fds. With its low redox potential and its discrimination against FNR, Fd2 exhibits a unique capacity to direct efficiently photosynthetic electrons to metabolic pathways not dependent on FNR.

    DOI: 10.1016/j.bbabio.2019.148084

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  8. An oxyl/oxo mechanism for oxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an x-ray free-electron laser 査読有り

    Suga Michihiro, Akita Fusamichi, Yamashita Keitaro, Nakajima Yoshiki, Ueno Go, Li Hongjie, Yamane Takahiro, Hirata Kunio, Umena Yasufumi, Yonekura Shinichiro, Yu Long-Jiang, Murakami Hironori, Nomura Takashi, Kimura Tetsunari, Kubo Minoru, Baba Seiki, Kumasaka Takashi, Tono Kensuke, Yabashi Makina, Isobe Hiroshi, Yamaguchi Kizashi, Yamamoto Masaki, Ago Hideo, Shen Jian-Ren

    SCIENCE   366 巻 ( 6463 ) 頁: 334 - +   2019年10月

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    記述言語:日本語  

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  9. An oxyl/oxo mechanism for oxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an x-ray free-electron laser

    Suga M., Akita F., Yamashita K., Nakajima Y., Ueno G., Li H., Yamane T., Hirata K., Umena Y., Yonekura S., Yu L.J., Murakami H., Nomura T., Kimura T., Kubo M., Baba S., Kumasaka T., Tono K., Yabashi M., Isobe H., Yamaguchi K., Yamamoto M., Ago H., Shen J.R.

    Science   366 巻 ( 6463 ) 頁: 334 - 338   2019年10月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:Science  

    Photosynthetic water oxidation is catalyzed by the Mn4CaO5 cluster of photosystem II (PSII) with linear progression through five S-state intermediates (S0 to S4). To reveal the mechanism of water oxidation, we analyzed structures of PSII in the S1, S2, and S3 states by x-ray free-electron laser serial crystallography. No insertion of water was found in S2, but flipping of D1 Glu189 upon transition to S3 leads to the opening of a water channel and provides a space for incorporation of an additional oxygen ligand, resulting in an open cubane Mn4CaO6 cluster with an oxyl/oxo bridge. Structural changes of PSII between the different S states reve cooperative action of substrate water access, proton release, and dioxygen formation in photosynthetic water oxidation.

    DOI: 10.1126/science.aax6998

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  10. A versatile experimental system for tracking ultrafast chemical reactions with X-ray free-electron lasers 査読有り

    Katayama Tetsuo, Nozawa Shunsuke, Umena Yasufumi, Lee SungHee, Togashi Tadashi, Owada Shigeki, Yabashi Makina

    STRUCTURAL DYNAMICS-US   6 巻 ( 5 ) 頁: 054302   2019年9月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:Structural Dynamics  

    An experimental system, SPINETT (SACLA Pump-probe INstrumEnt for Tracking Transient dynamics), dedicated for ultrafast pump-probe experiments using X-ray free-electron lasers has been developed. SPINETT consists of a chamber operated under 1 atm helium pressure, two Von Hamos spectrometers, and a large two-dimensional detector having a short work distance. This platform covers complementary X-ray techniques; one can perform time-resolved X-ray absorption spectroscopy, time-resolved X-ray emission spectroscopy, and time-resolved X-ray diffuse scattering. Two types of liquid injectors have been prepared for low-viscosity chemical solutions and for protein microcrystals embedded in a matrix. We performed a test experiment at SPring-8 Angstrom Compact free-electron LAser and demonstrated the capability of SPINETT to obtain the local electronic structure and geometrical information simultaneously.

    DOI: 10.1063/1.5111795

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  11. Novel Mechanism of Cl-Dependent Proton Dislocation in Photosystem II (PSII): Hybrid Ab initio Quantum Mechanics/Molecular Mechanics Molecular Dynamics Simulation 査読有り

    Nakamura Atsushi, Kang Jiyoung, Terada Ryu-ichiro, Kino Hiori, Umena Yasufumi, Kawakami Keisuke, Shen Jian-Ren, Kamiya Nobuo, Tateno Masaru

    JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN   88 巻 ( 8 )   2019年8月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:Journal of the Physical Society of Japan  

    The photosynthetic water oxidation reaction in photosystem II (PSII) causes the ejection of four protons (H+) and electrons from the substrate water bound to the Mn4CaO5 cluster, denoting the catalytic center of the system. Two Cl− ions, Cl1 and Cl2 sites, were found in the vicinity of the Mn4CaO5 moiety. Herein, a novel H+ transfer mechanism (amide H+ exchange-driven scheme) was identified to operate in the Cl2 pathway based on the hybrid ab initio quantum mechanics (QM) molecular dynamics (MD) simulations of PSII. The analysis revealed that H+ can be displaced across the peptide bond of the D1-His337 and D1-Asn338 backbones, interrupting the hydrogen bond network spanning to the lumenal side in the crystal structure. The estimated energy barrier was consistent with the previous kinetic data. This is the first report to address unidirectional H+ transfer through a peptide bond based on the theoretical analysis involving the environmental protein structure.

    DOI: 10.7566/JPSJ.88.084802

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  12. beta-Carotene Probes the Energy Transfer Pathway in the Photosystem II Core Complex 査読有り

    Yoneda Yusuke, Nagasawa Yutaka, Umena Yasufumi, Miyasaka Hiroshi

    JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS   10 巻 ( 13 ) 頁: 3710 - 3714   2019年7月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:Journal of Physical Chemistry Letters  

    The dynamics of the intact photosystem II core complex (PSII-CC) has been investigated extensively to elucidate its excellent photofunction. However, it is significantly difficult to observe the primary photosynthetic processes in PSII-CC because a vast number of chlorophylls (Chl) in the core complex show similar spectral features. In the present work, the dynamics of the energy transfer (ET) from β-carotene (Bcr) in intact PSII-CC followed by charge separation (CS) at the reaction center (RC) with different excitation wavelengths were compared. Upon excitation at 510 nm, which selectively excites Bcr (Bcr651) inside of the D1-D2 RC, the pheophytin anion absorption band appeared within 9.6 ps. On the other hand, upon excitation at 490 nm, mainly exciting unspecified Bcr in the antenna complex, the anion band appeared after 20 ps. These excitation wavelength dependence experiments revealed a new ET pathway of PSII-CC, which indicates that the initial CS of PSII-CC is limited by ET to the RC.

    DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b01072

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  13. Structural basis for blue-green light harvesting and energy dissipation in diatoms

    Wang Wenda, Yu Long-Jiang, Xu Caizhe, Tomizaki Takashi, Zhao Songhao, Umena Yasufumi, Chen Xiaobo, Qin Xiaochun, Xin Yueyong, Suga Michihiro, Han Guangye, Kuang Tingyun, Shen Jian-Ren

    SCIENCE   363 巻 ( 6427 ) 頁: 598 - +   2019年2月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:Science  

    Diatoms are abundant photosynthetic organisms in aquatic environments and contribute 40% of its primary productivity. An important factor that contributes to the success of diatoms is their fucoxanthin chlorophyll a/c-binding proteins (FCPs), which have exceptional light-harvesting and photoprotection capabilities. Here, we report the crystal structure of an FCP from the marine diatom Phaeodactylum tricornutum, which reveals the binding of seven chlorophylls (Chls) a, two Chls c, seven fucoxanthins (Fxs), and probably one diadinoxanthin within the protein scaffold. Efficient energy transfer pathways can be found between Chl a and c, and each Fx is surrounded by Chls, enabling the energy transfer and quenching via Fx highly efficient. The structure provides a basis for elucidating the mechanisms of blue-green light harvesting, energy transfer, and dissipation in diatoms.

    DOI: 10.1126/science.aav0365

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  14. Crystallographic study on estimation of the valence of each of the four Mn atoms in Photosystem II using anomalous diffraction techniques

    Umena Yasufumi, Kawakami Keisuke, Kamiya Nobuo, Kawano Yoshiaki, Yamashita Keitaro, Ago Hideo, Yamamoto Masaki, Shen Jian-Ren

    ACTA CRYSTALLOGRAPHICA A-FOUNDATION AND ADVANCES   75 巻   頁: A363 - A363   2019年

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    記述言語:日本語  

    DOI: 10.1107/S010876731909648X

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  15. Theoretical Elucidation of Geometrical Structures of the CaMn4O5 Cluster in Oxygen Evolving Complex of Photosystem II Scope and Applicability of Estimation Formulae of Structural Deformations via the Mixed-Valence and Jahn-Teller Effects 査読有り

    Shoji Mitsuo, Isobe Hiroshi, Yamanaka Shusuke, Umena Yasufumi, Kawakami Keisuke, Kamiya Nobuo, Yamaguchi Kizashi

    QUANTUM SYSTEMS IN PHYSICS, CHEMISTRY AND BIOLOGY - THEORY, INTERPRETATION, AND RESULTS   78 巻   頁: 307 - 451   2019年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:Advances in Quantum Chemistry  

    Atmospheric oxygenation and evolution of aerobic life on our earth are a result of water oxidation by oxygenic photosynthesis in photosystem II (PSII) of plants, algae, and cyanobacteria. The water oxidation in the oxygen-evolving complex (OEC) of PSII is expected to proceed through five oxidation states, known as the Si (i = 0, 1, 2, 3, and 4) states in the Kok cycle, with the S1 being the most stable state in the dark. The OEC in PSII involves the active catalytic site made of four Mn ions and one Ca ion, namely the CaMn4O5 cluster. Past decades, molecular structures of the CaMn4O5 cluster in OEC of PSII have been investigated by the extended X-ray absorption fine structure (EXAFS). The magnetostructural correlations were extensively investigated by EPR spectroscopy. Recently, Kamiya and Shen groups made a great breakthrough for determination of the S1 structure of OEC of PSII by the X-ray diffraction (XRD) and X-ray free electron laser (XFEL) experiments, providing structural foundations that are crucial for theoretical investigations of structure and reactivity of the CaMn4O5 cluster. Large-scale QM/MM calculations starting from the XRD structures elucidated geometrical, electronic, and spin structures of the CaMn4O5 cluster, indicating an important role of the Jahn–Teller (JT) effect of Mn(III) ions. This review fully examines our theoretical formulae for estimation of the Jahn–Teller deformations of the CaMn4O5 cluster in OEC of PSII. Scope and applicability of the JT deformation formulae are elucidated in relation to several different structures of the CaMn4O5 cluster proposed by XRD, XFEL, EXAFS, and other experiments. Subtle differences among XRD, XFEL, and EXAFS structures in the S1 state are examined in relation to environmental effects for the CaMn4O5 cluster in OEC of PSII. The X-ray damage of the serial femtosecond crystallography (SFX) by XFEL is also examined in relation to the damage-free low-dose (LD) XRD structure. The JT deformation formulae are also applied to theoretical analysis of the S3 structures by SFX. Implications of the computational results are discussed for further refinements of geometrical parameters of the CaMn4O5 cluster in OEC of PSII and possible mechanisms of water oxidation in OEC of PSII.

    DOI: 10.1016/bs.aiq.2018.05.003

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講演・口頭発表等 4

  1. 酸素発生光化学系 II 複合体の Mn の価数の決定

    梅名 泰史, 川上 恵典, 沈 建仁, 神谷 信夫

    SPring-8/SACLA利用研究成果集  2020年3月26日  公益財団法人 高輝度光科学研究センター

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    記述言語:日本語  

    光合成の水分解反応を行っている光化学系 II 蛋白質の活性中心 Mn<sub>4</sub>CaO<sub>5 </sub>クラスターは III と IV 価の混合原子価状態と考えられているが、各 Mn の価数の議論はまだ結論がついていない。本研究は、Mn のX線吸収端が価数に応じてシフトすることに着目し、X線吸収に依存する異常分散項の電子密度差電子密度マップを用いて各Mnの価数を分析した。その結果、K-吸収端波長領域において、各 Mn の価数に応じた変化を明らかにした。

    DOI: 10.18957/rr.8.1.1

    CiNii Research

  2. Mn の価数分析に向けたレーザー加工による光化学 II 蛋白質結晶の改良

    梅名 泰史, 川上 恵典, 河野 能顕, 山本 雅貴, 神谷 信夫, 沈 建仁

    SPring-8/SACLA利用研究成果集  2021年6月30日  公益財団法人 高輝度光科学研究センター

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    記述言語:日本語  

    光合成で働く光化学系 II 蛋白質(PSII)の活性中心 Mn<sub>4</sub>CaO<sub>5</sub> クラスターの Mn は III 価と IV 価と考えられているが、具体的な各 Mn の価数は議論中である。本研究では、Mn の K- 吸収端波長で測定した異常分散項の電子密度マップから価数の分析を計画した。しかし、不均一な厚みの結晶ではX線吸収が変動するため、異常分散項の測定精度が課題であった。本研究は、UV レーザー加工機によって PSII 結晶を円柱状に加工することで回折強度データを改善した報告である。

    DOI: 10.18957/rr.9.4.177

    CiNii Research

  3. 光化学系 II 蛋白質結晶の脱水処理による改良の試み

    梅名 泰史, 川上 恵典, 沈 建仁, 神谷 信夫

    SPring-8/SACLA利用研究成果集  2022年4月28日  公益財団法人 高輝度光科学研究センター

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    記述言語:日本語  

    DOI: 10.18957/rr.10.2.108

    CiNii Research

  4. Novel Mechanism of Cl-Dependent Proton Dislocation in Photosystem Ⅱ (PSⅡ) : Hybrid Ab initio Quantum Mechanics Molecular Mechanics Molecular Dynamics Simulation

    Nakamura Atsushi, Kang Jiyoung, Terada Ryu-ichiro, Kino Hiori, Umena Yasufumi, Kawakami Keisuke, Shen Jian-Ren, Kamiya Nobuo, Tateno Masaru

    Journal of the Physical Society of Japan  2019年8月  Physical Society of Japan

科研費 3

  1. 光感受性タンパク質の多様な光反応機構解明

    研究課題/研究課題番号:19H05779  2019年6月 - 2024年3月

    科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)

    朴 三用, 梅名 泰史

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    担当区分:研究分担者 

    光によって感応・応答するタンパク質には、動物や植物などに広く分布する発色団を含み、生命維持に関与するなど重要な役割を果たすものが知られる。近年では、こうした光感受性タンパク質を利用して、細胞などの光操作する技術に応用され(光遺伝学)、これまでに多くの生理現象の解明に利用されてきた。本研究計画では、疾病治療への利用が期待されている、またはツールとしての重要性が高いとされる光感受性タンパク質について、XFELを用いた高速分子動画実験を行うことで、タンパク質内部で起こる光エネルギー移動や高速な構造変化について明らかにする。
    光によって感応、応答するタンパク質には、動物や植物などに広く分布する発色団を含み、生命維持に関与するなど重要な役割を果たすものが知られる。近年では、こうした光感受性タンパク質を利用して、細胞などの光操作する技術に応用され、これまでに多くの生理現象の解明に利用されてきた。中でも、光遺伝学は、細胞や組織の生理機能を明らかにするための非常に強力な研究手法であると同時に、疾病の治療への応用の観点からも注目されている。光活性化アデニル酸シクラーゼPACは、動物、植物で普遍的な情報伝達物質(cAMP、 cGMP)の生産を光で制御できる生体タンパク質で、生体内での光スイッチとして医学的な応用が期待される分子である。PACは、最初にミドリムシから発見され以後、複数の原核生物からも相同遺伝子が見出されていたが、いずれも原子レベルでの構造・機能解明までには至ってなかったが申請者によって、藍藻由来の光活性化アデニル酸シクラーゼ(OaPAC)における初めて原子レベルでの構造・機能解明に成功した。本研究では解明されたOaPAC光活性化メカニズムの構造科学的解明を基に、細胞内でのセカンドメッセンジャー光制御への光遺伝学の展開や、PACの酵素ドメイン改変によるcGMP光産生酵素の創出、更には脳病変発生などにおける発生学的疾病の機構解明と治療を光制御医学ツールとして基礎医学的研究を目指す。本年度ではOaPACに対して微結晶調製を大量作製し、XFEL(X線自由電子レーザー)を利用し、光感受性タンパク質の多様な光応答機構の解明を目指している。
    光感受性アデニル酸シクラーゼ(OaPAC)については単結晶から得られた静的な構造がすでに明らかであったので、まずこの結晶化条件を微小結晶調製用に改良することを試みた。しかしながらもともと結晶化自体の再現性はある程度高いものの、回折能のある結晶出現の頻度が低く、その歩留まりは10%程度であった。微小結晶となるとさらに低い再現性の中で回折能のある微小結晶の大量調製方法を探る困難があったため、OaPACタンパク質調製方法(プラスミドコンストラクティングや発現条件)の検討を行なった。また、回折能がある結晶化どうかは見た目では判断できないため、単結晶のX線結晶構造解析で用いる大きさの結晶の回折能チェックを実験室系X線回折装置で実施し、それを微小結晶調製にフィードバックすることで品質管理を随時行いながら微小結晶の大量調製方法の検討を行なった。その結果、タンパク質濃度20 mg/ml、リガンドとしてATPアナログであるApCpp存在下でオイルバッチ方により、回折能のある微小結晶を調製することが可能となった。得られた微小結晶懸濁液の単位体積あたりの結晶の数は2×108個/ml程度であり、SACLAにおける回折実験が可能なレベルで微小結晶サンプルを調製することに成功した。微結晶は細長い米粒状の形状をしており、各結晶の長軸の長さは平均27ミクロン程度であった。この微結晶サンプルをグリースと混合し、SACLAのXFEL(X線自由電子レーザー)を利用したSFX(serial femtosecond crystallography)測定を行なったところ、2.4Aの分解能で構造解析を行うことができた。
    PACは日本の研究グループによって発見されたタンパク質で、青光により活性化アデニル酸シクラーゼcAMP分子を量産する酵素として、特性解明や生物機能光制御への展開も提唱・実行してきた(Nature, 2002)。本申請者は、PACの相同遺伝子であるOaPACの立体構造解明に世界初めて成功し、光活性化機構に関する構造科学的な研究は本研究グループが先駆的に積み上げてきた。神経興奮の光制御、いわゆる「光遺伝学、optogenetics」が急速に普及し、OaPACによるcAMPを介する生体機能光制御も概念上同類とみなされつつあるが、はるかに広範で多彩な生命活動の光制御につながり、血管新生・脳病変原生・神経回路ネットワーキング・記憶などの光発生医学現象の制御・解明・治療・創薬スクリーニングという広大な新分野の開拓を先導するものであり、かつ独創的な新領域の研究分野であると言える。
    このような目標に向け、今後、X線自由電子レーザーを利用した高速分子動画法により、光感受性タンパク質の多様な光応答機構の解明を目指している。

  2. 光化学系IIにおける塩素イオンの構造化学的な機能解明

    研究課題/研究課題番号:18K06158  2018年4月 - 2021年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    梅名 泰史

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:4420000円 ( 直接経費:3400000円 、 間接経費:1020000円 )

    光合成で働く光化学系II 蛋白質(PSII)に必須の塩素イオンの役割を解明するため,活性を低下させる分子アニオンが結合したPSIIの結晶構造解析から阻害機構を解明し、本来の塩素イオンの役割を理解することを目指す。本研究の結果、分子アニオンのアジ化物イオン、硝酸イオン、亜硝酸イオンの置換体PSII結晶を2-2.1 オングストローム分解能で解析することに成功した。置換に伴う共通の構造変化から阻害様式を明らかにし、本来の構造と比較することで、塩素イオンが担っているプロトン排出機構と活性中心の構造を支える役割を明らかにした。
    PSIIの水分解反応は金属触媒のMnクラスターを中心に議論がされているが、補欠因子としての塩素イオンの構造化学的な役割については、はっきりしていなかった。本研究により、PSIIにおける水分解反応をより包括的に議論できる構造情報を示すことができた。この知見は、Mnクラスターを模倣したMn触媒の周辺構造が重要性を提示することで、新たな人工光合成触媒への設計指針を提供できたものと思われる。

  3. 構造化学的手法による光化学系IIの水分解反応の機構解明

    研究課題/研究課題番号:16KT0058  2016年7月 - 2020年3月

    梅名 泰史

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:18200000円 ( 直接経費:14000000円 、 間接経費:4200000円 )

    酸素発生型光合成生物で働く光化学系II蛋白質(PSII)にはMn4CaO5クラスター(Mnクラスター)が反応触媒中心として存在している。本研究では、PSIIによる水分解・酸素発生の反応を構造化学的に解明するため、水分解反応中間状態におけるMnクラスターの各Mnの酸化還元および蛋白質構造変化の同時解析による反応機構の解明を目指した。MnのX線吸収端のX線を使った独自の結晶構造解析手法を開発し、PSIIの微小結晶をレーザー光で励起して凍結固定して、4つの反応中間状態を解析した。その結果、4つのMnの価数の変化が起こり、それに伴って蛋白質および水分子の動きを捉えることに成功した。
    本研究は、光合成の光と水によるエネルギー変換の仕組みを理解するため、光化学系II蛋白質(photosystem II; PSII)の触媒中心の4つMn金属原子と蛋白質構造の構造化学的な研究を行った。まず、Mnの電子状態と蛋白質の動きを同時に分析する結晶学的手法を開発した。この手法により、PSIIが水を分解する反応過程におけるMnとPSIIの原子レベルの変化を捉えることができた。もし光合成反応を化学的に理解できれば、太陽電池のような電力ではなく、水からエネルギー源を作り出す人工光合成の手がかりが期待される。