生体内分光法によるSynechocystis sp. PCC 6803のフラボジイロン蛋白質の電子供与体の同定

Identification of the electron donor to flavodiiron proteins in Synechocystis sp. PCC 6803 by in vivo spectroscopy.

• Pierre Sétif
• Ginga Shimakawa
• Anja Krieger-Liszkay
• Chikahiro Miyake

抄録

光合成生物のフラボジアイロン蛋白質(FDP)は、ストレス条件下で酸素を水に還元し、光化学系I(PSI)アクセプター側への過剰電子の蓄積を回避することで、光保護の役割を果たしている。高CO環境下で生育したSynechocystis sp. PCC 6803では、FDPのFlv1とFlv3の両方が酸素還元に必須であることが明らかになった。我々は、フェレドキシンとPSIアクセプター(FF)の鉄硫黄クラスター(総称してFeS)の光誘起NADPH蛍光と近赤外吸収を用いて、野生型(WT)株とΔflv1/3株の詳細なin vivo動態研究を行った。これらの測定は、カルビン-ベンソンサイクルが不活性または不十分に活性化されている条件下で行われた。このような条件下では、短い照明後のNADPHの減衰は、両方の系統で平行に減衰し、還元されたFeSの存在と相関するタイムラグを示した。逆に、減少したFeSは、Δflv1/3よりもWTの方がはるかに速く減衰する（13 vs 2s）。これらのデータは、還元されたフェレドキシン、あるいはおそらく還元されたFFがFlv1/Flv3ヘテロ二量体への直接電子供与体であることを明確に示している。(FF)の大きな還元とPSI内での組換え反応の証拠は、近赤外吸収によっても提供された。NDH1-L複合体、呼吸の複合体Iのホモログ、またはPgr5タンパク質のいずれかを欠失した変異体では、短時間照射後の還元されたFeSの酸化においてWTとの差は見られなかった。これらの結果は、シアノバクテリアにおける光合成の誘導相の最初の数秒間に重要な周期的電子流が存在することを示唆している。

Flavodiiron proteins (FDPs) of photosynthetic organisms play a photoprotective role by reducing oxygen to water and thus avoiding the accumulation of excess electrons on the photosystem I (PSI) acceptor side under stress conditions. In Synechocystis sp. PCC 6803 grown under high CO, both FDPs Flv1 and Flv3 are indispensable for oxygen reduction. We performed a detailed in vivo kinetic study of wild-type (WT) and Δflv1/3 strains of Synechocystis using light-induced NADPH fluorescence and near-infrared absorption of iron-sulfur clusters from ferredoxin and the PSI acceptors (FF), collectively named FeS. These measurements were performed under conditions where the Calvin-Benson cycle is inactive or poorly activated. Under such conditions, the NADPH decay following a short illumination decays in parallel in both strains and exhibits a time lag which is correlated to the presence of reduced FeS. On the contrary, reduced FeS decays much faster in WT than in Δflv1/3 (13 vs 2 s). These data unambiguously show that reduced ferredoxin, or possibly reduced FF, is the direct electron donor to the Flv1/Flv3 heterodimer. Evidences for large reduction of (FF) and recombination reactions within PSI were also provided by near-infrared absorption. Mutants lacking either the NDH1-L complex, the homolog of complex I of respiration, or the Pgr5 protein show no difference with WT in the oxidation of reduced FeS following a short illumination. These observations question the participation of a significant cyclic electron flow in cyanobacteria during the first seconds of the induction phase of photosynthesis.

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