酸素発生型の光合成を行う原核生物であるシアノバクテリア は，周囲の緑色と赤色の光のバランスを感知して光合成アン テナの組成を調節する．補色順化と呼ばれるこの現象は光合 成機能の光質による調節の代表例として知られていたが，光 色感知機構の実態は長らく不明であった．われわれは補色順 化 を 制 御 す る フ ィ ト ク ロ ム 様 光 受 容 体 の 同 定 と 解 析 に 成 功 し，色素のプロトン脱着を介した新奇の緑・赤色光感知機構 の存在を明らかにした．
光受容体フィトクロムとは
光とは，生物にとって外部情報を得るための重要なシ グナルの一つである．生物は光を受容するために，光受 容タンパク質を利用している．光受容タンパク質におい て光の吸収を担うのは，タンパク質に結合した特定の化 学構造をもった分子であり，この分子は発色団（chro- mophore）と呼ばれている．発色団は，炭素原子の二重 結合と一重結合が交互に連なった構造（共役二重結合 系）をもち，その共役した
π
電子が可視領域の光を吸収して励起される．光によって励起された発色団はエネル ギー的により安定な状態へと構造が変化し，それがタン パク質全体の構造変化を引き起こし，タンパク質同士の 相互作用を介してシグナルが伝わっていく．
フィトクロムは，赤色光と遠赤色光を受容するタンパ ク質であり，植物の種子発芽を制御する光受容体として 1950年代に発見された(1)．フィトクロムには，発色団と してテトラピロールが結合する．テトラピロールは4つ のピロール環が共有結合した構造をもち，これらのピ ロール環にまたがる長い共役二重結合系が可視光領域の 光を吸収する（図1）．フィトクロムは，赤色光吸収型
（Pr）と遠赤色光吸収型（Pfr）という2つの異なる構造 をとる(2)．Prに赤色光を照射するとPfrへと変換し，Pfr に遠赤色光を照射するとPrへと変換する．このように 光照射によって可逆的に変換することで，フィトクロム は赤色光と遠赤色光を感知する．フィトクロムに結合し たテトラピロールの構造は，Prでは 型，Pfrでは 型 である(2)（図1）．光照射によってD環が光異性化し，こ れが引き金となってフィトクロムタンパク質の全体に構 造変化が生じると考えられている．植物のフィトクロム はPr/Pfr変換によって核局在を変え，フィトクロム相
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【解説】
シアノバクテリアの補色順化 における光色感知機構
広瀬 侑 * 1 ，池内昌彦 * 2
Light Color Sensing Mechanism of the Cyanobacteiral Chromatic Acclimation
Yuu HIROSE, Masahiko IKEUCHI, *1 豊橋技術科学大学環境・生 命工学系，*2 東京大学大学院総合文化研究科
互作用因子を介して，種子発芽や避陰応答などさまざま な光応答を制御すると考えられている(3, 4)．1990年代以 降のゲノム解析技術の進歩に伴い，シアノバクテリア・
細菌・真菌・真核藻類など幅広い生物がフィトクロムを もつことが明らかとなっているが，その生理機能は不明 なものが多い(5, 6)．
シアノバクテリアの補色順化の制御機構の研究 光合成は，太陽光を利用して二酸化炭素と水から糖を 合成する反応であり，地球上のすべての生命活動を支え る重要な反応である．前述の光受容体による光の感知で は，色素によって吸収された光エネルギーはタンパク質 の構造変換へと使われたが，光合成では，光は水の光分 解反応に使われる．シアノバクテリアは酸素発生型光合 成を行う原核生物であり，植物の葉緑体の起源となった 生物である．シアノバクテリアの光合成では，光合成の 反応中心は植物と同じ光化学系複合体であるが，光を捕 集するアンテナはフィコビリソームと呼ばれる独自のタ ンパク質複合体である(7)．フィコビリソームを構成する 色素タンパク質の組成はシアノバクテリア種によって異 なり，青〜緑〜赤色光など，吸収する光の色には多様性 が見られる．一部のシアノバクテリアのフィコビリソー ムの色素タンパク質は，緑色光（〜550 nm）を吸収す るフィコエリスリンと，赤色光（〜620 nm）を吸収す るフィコシアニンから構成される．それらのシアノバク テリア種の多くは，緑色光の下ではフィコエリスリンを 増やして，緑色光を利用して光合成を行い，逆に赤色光 の下ではフィコシアニンを増やして，赤色光を利用して 光合成を行う．この現象は古くから知られ，Comple- mentary chromatic adaptation（補色適応），近年では Complementary chromatic acclimation（補色順化）と
呼ばれている．
1960年代に補色順化の作用スペクトルの詳細な解析 が行われ，フィコエリスリンの合成は540 nm付近の緑 色光，フィコシアニンの合成は640 nm付近の赤色光に よって誘導されることが見いだされた(8)．緑色光照射は フィコエリスリンの合成を誘導し，同時に，フィコシア ニンの合成を抑制する，また，赤色光はフィコシアニン の合成を誘導し，同時に，フィコエリスリンの合成を抑 制する(9)．このように，緑色光と赤色光はお互いの光照 射の効果を打ち消すように働いた．また，この現象は光 合成阻害剤の影響を受けないことから，電子伝達鎖の酸 化還元状態ではなく，光受容体によって制御されると考 えられた(8)．さらに，フィコシアニン合成の作用スペク トルが赤色光に加えて360 nm付近の光でも合成がある 程度誘導され(9, 10)，これはテトラピロール色素に特徴的 な短波長吸収ピーク（Soret吸収帯）によく対応する．
これらの実験結果は，緑色光と赤色光を受容するフィト クロム型の光受容タンパク質が補色順化を制御すること を強く示唆していた．しかし，その実態は1990年代に 入るまで謎に包まれていた．
シアノバクテリオクロムによる補色順化の制御の 解明
補色順化の光受容体の実態の解明は，分子生物学的手 法の開発によって，1990年代に大きく進展した(11, 12)． 補色順化には，フィコエリスリンのみを調節するタイプ
（Type II）と，フィコエリスリンとフィコシアニンの両 方を調節するタイプ（Type III）の2つの様式の存在が 知られている(13)．アメリカのArthur R. Grossman博士 やDavid M. Kehoe博士らのグループは，Type IIIの補
色順化を行う というシアノバク
テリアにおいて遺伝子をランダムに破壊し，その中から 緑色光と赤色光に応答できない変異体をスクリーニング した．つづいて，その変異体に野生株のゲノムライブラ リを相補することで，補色順化を制御する遺伝子を特定 した．彼らはこの手法を用いて，フィトクロムに似た光 受容体遺伝子 (14)の同定に成功した．この 遺伝 子産物は，フィトクロムのテトラピロール色素結合ドメ インとアミノ酸配列が類似していたことから，緑色光と 赤色光を受容することが予想された．しかし，RcaEタ ンパク質の分光特性は明らかでなかった．一方，遺伝子 破壊株の解析から，RcaEが赤色光の元でRcaFとRcaC という2つの転写因子のリン酸化を介して，フィコエリ スリンとフィコシアニンの遺伝子群の発現を制御するこ とが示された（図2）．
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図1■テトラピロールの一種（フィコシアノビリン）の構造 フィトクロムには発色団としてテトラピロールが結合する．光照 射によってD環に / 異性化反応が起こる．
補色順化の光受容機構の実態の解明は，全く別のアプ ローチからの研究によって進展した．筆者である池内昌 彦らのグループは，全ゲノムが初めて解読されたシアノ バクテリアである sp. PCC 6803の走光性 の制御因子を探索し，フィトクロムに似た光受容体 SypixJ1を同定し，その生化学的の解析に成功した．
SyPixJ1はテトラピロール色素を結合し，青色光吸収型
（Pg）と緑色光吸収型（Pr）の間を可逆的に光変換した のである(15)．さらに，ゲノム情報を探索すると，SyP- ixJ1やRcaEと近縁の光受容体がシアノバクテリアに広 く存在することが判明し，これらをユニークな分光特性 をもつ新たな光受容体の一群として「シアノバクテリオ クロム」と命名した(16)．筆者らは， sp.
6803のフィコシアニン遺伝子の発現にかかわるシアノ バクテリオクロムとして同定されたCcaSの発現精製に 成功し(17)，CcaSが緑色光吸収型（Pg）と赤色光吸収型
（Pr）の間での可逆的に光変換を示すことを明らかにし た(18)．つづいて筆者らは，Type II型の補色順化を行う ATC C 29133の遺伝子破壊株の解析 によってCcaSが転写因子CcaRのリン酸化を介して フィコエリスリン量を調節することを明らかにした(19)
（図2）．さらに， のRcaEの生化 学解析も行い，RcaEがCcaSと同じPg/Pr光変換を示す ことを明らかにした(20)．これらの解析により，補色順 化はPg/Pr光変換能をもつシアノバクテオクロムに よって制御され，Type IIIの補色順化はRcaE/RcaF/
RcaC, Type IIの補色順化はCcaS/CcaRという別々のシ ステムによって制御されることが示された．
プロトン発色性光変換（Protochromic photocy- cle）の発見
シアノバクテリアの補色順化に共通のPg/Pr変換機
構では，テトラピロール色素のD環に光異性化が起こっ ているが(18)，これはPr/Pfr光反応を行うフィトクロム と全く同一の反応である．つまり色素の光異性化反応だ けでは，シアノバクテリオクロムとフィトクロムの吸収 波長の違いを全く説明できないのである．この事実は，
Pg/Pr変換反応には，光異性化に加えてまだ隠された分 子機構があることを示唆していた．筆者（広瀬）は実験 中に中性のバッファーを含むRcaEタンパク質溶液に，
少量の酸性のバッファーを誤って加えてしまった．する と奇妙なことに，タンパク質溶液の色が赤から青へと一 瞬で変わり，再び青色へ戻ったのである．これは，中性
→酸性→中性というpH変化によって，タンパク質溶液 に赤→青→赤という色変換が生じたことを示していた．
フィトクロムでは，テトラピロールのC環の窒素原子に プロトンが付加し，バッファーのpH変化によってその プロトンの脱着が起こることが報告されていた(21)．そ のため，筆者はシアノバクテリオクロムのPg/Prの変 換がテトラピロール色素のプロトン脱着によって引き起 こされているのではないかという仮説を立てた．そこ で，RcaEタンパク質溶液のpH滴定とそれに伴う吸収 スペクトルの変化を詳細に測定した．その結果，色素の D環 の 構 造 が 型 と 型 の い ず れ の 場 合 で も，バ ッ ファーのpHをアルカリ性にすると色素のプロトンが外 れてPgを形成し，逆に酸性にすると色素にプロトンが 付加してPrが形成されることを発見した（図3A, B）． この結果は，Pg/Pr変換はプロトンの脱着のみによって 引き起こされることを示していた．それでは，色素の 型と 型の構造変化は光変換反応においてどのような 役割を果たしているのであろうか？ 色素のプロトンと の親和性は，p a （PgとPrの比率が丁度1 : 1になるとき のpHの値）という指標で表すことができる．pH変化 によるPg/Pr変換のp aを，ヘンダーソン・ハッセルベ ルヒ式でフィッティングして求めてみると， 型では約 5.5， 型では約8.0のp aが示された（図3C, D）．これ は， 型と 型の色素では100倍以上プロトンに対する 親和性が異なっていることを示している．つまり，テト ラピロール色素の / 構造の変化は，プロトンの「付 きやすさ」を調節していたのである．一方，フィトクロ ムのPrとPfrではどちらでもテトラピロール色素にプロ トンが付加されている(22)．つまり，Pr/Pfr変換とPg/
Pr変換の違いは，色素のプロトン移動であることが明 確に示されたのである．筆者らは，シアノバクテリオク ロムに特有のこの新しいPg/Pr光変換機構を「Proto- chromic photocycle（プロトン発色性光変換）」と命名 した(20)．
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図2■シアノバクテリオクロムによる補色順化の制御
Type IIの補色順化では，CcaS/CcaRシステムによってフィコエ リスリン遺伝子群が発現調節される．Type IIIの補色順化では，
RcaE/RcaF/RcaCシステムによってフィコエリスリンとフィコシ アニンの遺伝子群が発現調節される．
プロトン移動に必要なアミノ酸の同定
プロトン発色性可逆光変換におけるプロトン移動反応 では，テトラピロール色素に脱着するプロトンはどこか ら供給されるのであろうか？ 水溶液中でのテトラピ ロール色素のp aは約6であるが(20)，フィトクロムタン パク質内でのp aは9〜10であり，この高いp aは色素 近傍のアミノ酸によって維持されることが報告されてい た(23)．また，RcaEにおいても，タンパク質を変性させ て色素近傍のアミノ酸の影響を除くと，Pg/Prの間での p aの違いが消失した．これらの点は，Pg/Pr変換にお けるプロトン供給源は色素近傍の荷電アミノ酸であるこ とを示唆していた．そこで，フィトクロムCph1(24)やシ アノバクテリオクロムAnPixJおよびTePixJ(25)の結晶構
造を手がかりに，色素近傍のアミノ酸を調べてみると，
RcaEおよびCcaSでは5つの荷電アミノ酸が高度に保存 されていた．これらのプロトンを保持することのできる 荷電アミノ酸を，プロトンを保持できない非荷電アミノ 酸へと置換した変異タンパク質を作製したところ，L249, E217, K261の3つのアミノ酸を置換すると，光変換が大き く阻害されることが明らかとなった．L249はプロトン保 持能力をもたない疎水アミノ酸であるが，結晶構造から テトラピロール色素の近傍に存在することが示されてい た．L249の変異体では色素の結合効率が大きく低下した ことから，L249の疎水性は色素の結合に非常に重要であ ることが示された．興味深いことにL249をHisへと置換 した変異体では，p aが大きく上昇し， Prが形成さ れた．これらは，荷電アミノ酸を近くに配置すること で，色素にプロトンをつけることができるgain of func- tion型の変異が起こったことを示しており，プロトンの 供給源がアミノ酸側鎖であるという可能性を支持してい た．一方，E217とK261という2つの荷電アミノ酸の変異 体では，どちらも色素へのプロトン付加が大きく阻害さ れたた．2つの変異体のp aを詳細に測定してみると，
E217変異体ではp aのシフトが起こらなくなったが，一 方，K261変異体では， 型と 型の両方のp aが大きく 低下していたものの，p aのシフトは観察された．この ことは，p aシフトを引き起こしているのはE217であ り，K261はそれを保持していることを示していた．つま り，プロトンドナーはE217のカルボキシル基であること が強く示唆された．これらの結果より，L249, E217, K261
のアミノ酸が協調的にプロトン移動を媒介するモデルを 構築し，それらのアミノ酸を「Protochromic Triad（プ ロトン発色トリオ）」と名づけた（図4）．
今後の展望
筆者らは，シアノバクテリアの補色順化の光色感知機 構の全容を解明することに成功した．しかし，プロトン 発色性光変換機構には，まだ未解決の大きな問題が残っ
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図3■シアノバクテリオクロムのpHに依存した吸収スペクト ル変化
シアノバクテリオクロムRcaEの 型（A）と 型（B）における 吸収スペクトルのpH依存性（20）．どちらの構造でも酸性側でPrが 形成し，アルカリ性側でPgが形成するが，そのp a（PgとPrの 比率が等しくなるときのpH）は 型（C）と 型（D）で大きく 異なる（20）．
図4■プロトン発色性光変換の分子機構 プロトン発色性光変換では，光照射によって テトラピロール色素に / 異性化反応が起こ り，その後でアミノ酸の構造変化によってプ ロトンの脱着が起こる．プロトン移動はL249, E217, K261という3つのアミノ酸（プロトン発 色トリオ）の側鎖によって引き起こされる．
E217のカルボキシル基がプロトンドナーと推 定される．
ている．それは，「吸収型の変換がプロトン移動のみで 引き起こされる」のか，あるいは，「プロトン移動後に 生じる色素の構造変化によって引き起こされる」のかと いうことである．この問題を解くためには，化学構造を 固定した合成色素による再構成が有効なアプローチであ る．また，NMRやラマン分光法による色素のプロトン 化状態の測定も必要である．これらの基礎研究が進め ば，将来的には光受容タンパク質の光波長特性の改変と いった応用研究への展開も十分可能であると考えられ る．一方，光受容体の研究の歴史を振り返って見ると，
一つの光受容体の同定とその作用機序の解明に大きな時 間がかかっていることがわかる．光受容体がDNAの塩 基配列としてコードされている以上，その種類と数は有 限であるが，既存の順遺伝学・逆遺伝学的なアプローチ ではその有限値に漸近することは困難である．そのた め，現在筆者（広瀬）は，次世代シークエンサーを用い て生物の光受容体をまとめて同定する手法の開発を進め ている．
謝辞：本研究の大部分は，東京大学大学院総合文化研究科の池内昌彦教 授の研究室にて，プロトン移動に関する研究はカリフォルニア大学デー ビス校のJ. Clark Lagarias教授の研究室にて実施されたものである．本 研究にかかわったすべての人々に，この場を借りて厚く御礼申し上げる．
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プロフィール
広 瀬 侑（Yuu HIROSE）
＜略 歴＞2006年 北 海 道 大 学 農 学 部 卒／
2008年東京大学大学院総合文化研究科修 士課程修了／2011年同大学大学院理学研 究科博士課程修了／同年同大学新領域創成 科学研究科日本学術振興会特別研究員 PD／同年豊橋技術科学大学エレクトロニ クス先端融合研究所特任助教／2013年同 大学環境・生命工学系助教，現在に至る
＜研究テーマと抱負＞光と遺伝子の不思議 な関係を解き明かす＜趣味＞ユーフォニア ム，麦酒，放心
池内 昌彦（Masahiko IKEUCHI）
＜略歴＞1982年東京大学大学院理学研究 科単位取得退学，理学博士／1983年理化 学研究所研究員／1993年東京大学教養学 部助教授／2002年同大学大学院総合文化 研究科教授，現在に至る＜研究テーマと抱 負＞光合成の分子機構と進化・調節，光応 答現象の分子機構と進化・調節など＜趣 味＞バードウォッチング
Copyright © 2016 公益社団法人日本農芸化学会 DOI: 10.1271/kagakutoseibutsu.54.403
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