遠(yuǎn)古地球上氧氣的起源~氧的產(chǎn)生是通過氨基酸轉(zhuǎn)換開始的~

【本研究要點(diǎn)】 ·太古時(shí)期地球上光合作用產(chǎn)生氧氣是何時(shí)、如何開始的，是地球生命史上的一個(gè)大謎團(tuán)。 ·在產(chǎn)氧酶光化學(xué)系ⅱ注1 )中，將構(gòu)成催化部位的氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸)在基因水平上改變?yōu)槠渌被岷?，?huì)在蛋白質(zhì)合成后轉(zhuǎn)化為原來的氨基酸，恢復(fù)產(chǎn)氧能力。 ·祖先型光化學(xué)系ⅱ中的氨基酸轉(zhuǎn)換可能成為遠(yuǎn)古地球光合放氧的起源。

【研究概要】

國立大學(xué)法人東海國立大學(xué)機(jī)構(gòu)名古屋大學(xué)理學(xué)研究科的野口巧教授、嶋田友一郎特任助教(研究當(dāng)時(shí))、長(zhǎng)尾遼特任助教(研究當(dāng)時(shí))、北島(井原)智美研究員、松原巧博士前期課程學(xué)生的研究小組， 通過與理化學(xué)研究所環(huán)境資源科學(xué)研究中心的堂前直前機(jī)組領(lǐng)導(dǎo)以及鈴木健裕專職技師的共同研究，提出了光合放氧酶- -光化學(xué)系ⅱ的氨基酸轉(zhuǎn)換，成為太古地球中氧發(fā)生的起源的新假說。 通過光合作用產(chǎn)生氧，在植物和藍(lán)藻注2 )的光化學(xué)系ⅱ蛋白質(zhì)中的氧產(chǎn)生系注3 )中，作為光能引起的水的分解進(jìn)行。 發(fā)現(xiàn)了將構(gòu)成產(chǎn)氧系統(tǒng)的氨基酸(天冬氨酸或谷氨酸)在基因水平上改變?yōu)槠渌被釙r(shí)，這些氨基酸在蛋白質(zhì)合成后會(huì)轉(zhuǎn)換成本來的氨基酸，從而恢復(fù)產(chǎn)氧的現(xiàn)象。 據(jù)推測(cè)，這種蛋白質(zhì)水平的氨基酸轉(zhuǎn)換導(dǎo)致祖先型光化學(xué)系ⅱ形成了第一個(gè)產(chǎn)氧系統(tǒng)，在遠(yuǎn)古的地球上通過光合作用開始了產(chǎn)氧。 本研究成果刊登在2022年7月21日的英國科學(xué)雜志《Nature Communications》在線版上。

【研究背景】 約24億年前發(fā)生的“大氧化事件”注4 )導(dǎo)致地球大氣的氧濃度急劇上升，形成了氧化型大氣。 從而誕生了吸氧生命，帶來了后來生命的進(jìn)化和繁榮(圖1 )。 地球大氣氧濃度的上升被認(rèn)為是完成了氧發(fā)生型光合作用的藍(lán)藻繁殖的主要原因。 但是，在大氧化事件的數(shù)億年前就有許多表明氧存在的痕跡報(bào)道，光合作用產(chǎn)生氧的時(shí)間以及是如何開始的還不清楚，作為地球生命史上的一個(gè)大謎團(tuán)被遺留下來。

圖1地球與生命的共進(jìn)化(地球大氣氧濃度的變遷) 

通過植物、藻類和藍(lán)藻的光合作用產(chǎn)生氧，是在光化學(xué)系ⅱ中存在的氧發(fā)生系統(tǒng)中，作為光能引起的水的分解(與水的電解陽極的反應(yīng)相同)來進(jìn)行的(圖2 )。 產(chǎn)氧系統(tǒng)由催化劑中心錳團(tuán)注5 )、包圍它的6個(gè)羧基配體(天冬氨酸、谷氨酸、C末端)和一個(gè)組氨酸配體構(gòu)成。 但是，光化學(xué)系ⅱ中氧產(chǎn)生能的獲得演化過程完全不清楚。

圖2光化學(xué)系ⅱ中的氧發(fā)生體系(錳團(tuán)簇)

【內(nèi)容】 本研究通過向藍(lán)藻光化學(xué)系ⅱ蛋白( D1蛋白)基因誘變，將構(gòu)成產(chǎn)氧系統(tǒng)的羧基氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸)更改為其他氨基酸(組氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺等)。使用紅外分光分析和液相色譜-質(zhì)譜分析對(duì)這些變異光化學(xué)系ⅱ的反應(yīng)及氨基酸序列進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，經(jīng)過修飾的氨基酸在mRNA翻譯后，在蛋白質(zhì)水平上轉(zhuǎn)化為原來的氨基酸，氧產(chǎn)生能得到恢復(fù)(圖3 )。我們認(rèn)為這種氨基酸轉(zhuǎn)換是由以光氧化的錳離子為催化劑的翻譯后氨基酸修飾引起的。 這些結(jié)果表明，光化學(xué)系ⅱ具有通過蛋白質(zhì)水平的翻譯后氨基酸修飾，將氧發(fā)生系的氨基酸轉(zhuǎn)化為活性型氨基酸(天冬氨酸、古爾圖3氧發(fā)生系突變體中的翻譯后氨基酸)，獲得氧發(fā)生能的機(jī)制。 根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本研究提出了光化學(xué)系ⅱ的翻譯后氨基酸轉(zhuǎn)化，在太古地球的氧發(fā)生的起源和進(jìn)化中發(fā)揮了重要作用的假說(圖4 )。   在祖先型光化學(xué)系ⅱ中，最初結(jié)合的錳離子周圍的氨基酸經(jīng)翻譯后轉(zhuǎn)化為天冬氨酸或谷氨酸，形成多個(gè)羧基配體。 在那里，原始的錳簇被構(gòu)筑，圖4祖先型光化學(xué)系ⅱ中的氧發(fā)生機(jī)理的假說氨基酸被轉(zhuǎn)換，不完全的水分解引起氧的發(fā)生。 這就是光合作用產(chǎn)生氧氣的起源。 而且，可以認(rèn)為光化學(xué)系ⅱ蛋白質(zhì)中質(zhì)子和水分子的遷移途徑和對(duì)氧的防御機(jī)制等逐漸得到調(diào)整，演化為具有完成型氧發(fā)生系的現(xiàn)在的光化學(xué)系ⅱ。 這樣的翻譯后氨基酸轉(zhuǎn)換產(chǎn)生氧的起源非常古老，有可能追溯到生命開始光合作用的時(shí)期。