FNR

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はじめに

フェレドキシン-NADP⁺酸化還元酵素（FNR；EC 1.18.1.2）は、従属栄養性および光栄養性細菌を含む多様な生物に普遍的に存在する酵素であり、高等植物および藻類のミトコンドリアやプラスチド、さらに一部の細胞内寄生性生物のアピコプラストなどにも存在する。FNRは補欠分子族として非共有結合性に結合したFADを1分子含み、フェレドキシン（Fd）（またはフラボドキシン）とNAD(P)Hとの間の可逆的な電子移動を触媒する。FNRが触媒する反応として最も広く研究されているのは、葉緑体における直線的電子伝達鎖の最終段階である。FNRのFAD補因子は、FADをセミキノン型のFADHへ還元することで、1電子から2電子へのスイッチとして機能する。続いてさらに還元が進みFADH⁻となり、FADH⁻からNADP⁺へのヒドリド移動が起こる。生成したNADPHは主としてカルビン・ベンソン回路におけるCO₂固定に利用される。葉緑体FNRに加え、高等植物の非光合成性プラスチドにもFNRタンパク質が存在する。

図1. 電子伝達経路のクロストークにおけるFNRの機能（Mulo, P. 2011）

FNRの構造

葉緑体FNRタンパク質は分子量約35 kDaの親水性タンパク質である。植物種間におけるFNRの配列相同性は40%～97%であり、特にFADおよびNADP⁺結合に関与する領域は高い同一性を示す。葉緑体FNRの三次元構造は多くの種で報告されており、最高分解能は1.7 Åである。研究により、解析されたすべての種においてFNRタンパク質はループで連結された2つの異なるドメインから構成されるため、葉緑体FNRのトポロジーは高度に保存されていることが示された。N末端ドメイン（約150アミノ酸）はFAD結合に関与し、C末端ドメイン（約150アミノ酸）は主としてNADP⁺結合を担う。FAD結合ドメインは、6本の逆平行βストランドからなるβバレル構造で構成され、αヘリックスおよび長いループにより覆われている。NADP⁺結合ドメインは、中心に5本鎖の平行βシートを有し、その周囲を6本のαヘリックスが取り囲む。さらにNADP⁺結合ドメインは2つのサブドメインに分けられる。C末端サブドメインは、ストロマの昼間pHにおいて動的なコンフォメーションを示し、NADP⁺結合の増強を可能にすることで、周囲の光条件に応じた光合成の有効な機能制御に寄与する。

図2. Fdとの複合体におけるFNRの構造（Mulo, P. 2011）

FNRの機能

• PSI周辺の環状電子伝達とFNR

光合成の直線的電子伝達反応におけるFNRの明確な役割に加え、多くの研究により、FNRがPSI周辺の環状電子伝達にも関与することが示されている。環状電子伝達では、電子はFdを介してPSIからCyt b6f複合体へ移動し、同時にプロトン勾配が形成される。したがって、環状電子伝達はNADPHの蓄積を引き起こすことなくATPを産生する。

一般に、環状電子伝達はC₄植物におけるCO₂濃縮機構を駆動するために必要なATPを供給すると考えられている。近年の研究では、C₃植物においても環状電子伝達の重要性が示されている。現在、少なくとも2つの異なる環状電子伝達経路が存在する：1）Fd依存性、すなわちフェレドキシン-プラストキノン酸化還元酵素（FQR）依存性経路では、電子はFdからCyt b6f複合体へ移動し、その後PSIへ戻る；2）NDH依存性経路では、FNRがFdを酸化してNADPHを生成し、これがチラコイド膜結合型NDH複合体により還元され得る。NDH複合体はプラストキノンプールの還元に必要な還元力を供給できる。

• 酸化ストレスとFNR

高等植物の葉緑体では、PSIIおよびPSIが植物組織における有害な活性酸素種（ROS）の潜在的な発生源となることが多い。E. coliでは、FNRがROSの消去に関与する。WTのCC-125と比較して、葉緑体FNR転写産物の定常状態レベルが増加することが示された。さらに、植物FNRの発現が変異E. coliの酸化耐性を回復させることも報告されている。これらの結果は、高等植物における酸化ストレス応答へのFNR関与の研究を促進している。コムギ植物におけるスーパーオキシドおよびメチルビオロゲンの伝播、ならびにそれに続くH₂O₂の蓄積は、細菌細胞と比較して、高等植物では酸化ストレス誘導時にFNRのmRNAおよびタンパク質量が増加するのではなく、むしろ減少することを示している。しかし、ROSの産生はチラコイド膜からのFNRの顕著な遊離を引き起こし、その後NADP⁺光還元能が低下する。これは、ストレス下にある植物におけるNADP⁺/NADPH恒常性を維持することを目的としている可能性がある。

図3. 電子伝達経路のクロストークにおけるFNRの機能（Mulo, P. 2011）