1997年度のノーベル化学賞は、長年ATP合成酵素の触媒機構の研究を行って来た米国P. D. Boyer博士とこの分子の各サブユニットの一次配列および分子構造を明らかにした英国分子生物学研究所J. E. Walker博士に贈られました。1997年3月、当時の東工大・資源研・吉田賢右研究室と慶應大学理工学部・木下一彦研究室の共同研究によって明らかにされたATP合成酵素F1のγサブユニットの回転が、この酵素の触媒機構の本質であることが、世界に認められたのです。ATP合成酵素の分子構造は、バクテリアから高等動物のミトコンドリア、高等植物葉緑体に至るまで非常によく保存されています。
さて、生物がATP合成酵素を使って必要なときに必要なだけATPを生産するためには、この酵素の活性制御が重要です。すなわち、回転を制御するわけですが、この制御機構を研究する上で、もっとも重要な材料は葉緑体のATP合成酵素CFoCF1です。植物のATP合成酵素は、光によって形成されるチラコイド膜内外のプロトン濃度勾配を駆動力としていますが、暗所では単に反応が進行しないだけでなく、酵素が不活化されます。この活性調節の機構は、回転子であることが証明されたγサブユニット上のS-S結合の形成・還元によって行われる事、このS-S結合の形成に与るシステイン残基がCF1に４個あるシステインの内の199番と205番である事が、既に1980年代に明らかにされています。すなわち、このγサブユニットはS-S結合の形成と切断によって分子構造を直接変えることで、その「回転」を調節している訳です。回転の調節機構は、回転の分子機構と不可分の関係にあるはずで、この調節機構を分子レベルで解析することは非常に重要です。
1999年、私達のグループは、葉緑体ATP合成酵素のγサブユニットの回転を直接観察することに世界ではじめて成功しました。下記のビデオで、回転の様子がご覧頂けます。
葉緑体ATP合成酵素回転のビデオ画像 (その1)
この画像は、私たちの論文(FEBS Lett. (1999) 463, 35-38)のFig.2です。
葉緑体ATP合成酵素回転のビデオ画像 (その2)
この画像は、私たちの論文(FEBS Lett. (1999) 463, 35-38)のFig.3Eです。
さらに、私たちは2001年に、葉緑体ATP合成酵素の活性制御スイッチを利用して、溶液の酸化還元状態によってATP合成酵素のγサブユニットの回転を直接制御することに成功しました（J.Biol.Chem. (2001) 276, 39505-39507）。
実験例(ファイルが大きいので、ご注意ください）
還元状態の回転の様子（0.9MB)
酸化状態の回転の様子（0.9MB)
もう一度還元した時の様子（0.9MB)
さらに、制御スイッチ部分に変異を導入して、酸化と還元のスイッチのONOFFを逆転させて、回転を観察することにも成功しました(J.Biol.Chem. (2004) 279(16):16272-7 ).
2006年に、ATP合成酵素のブレーキシステムであるεサブユニットによる回転阻害の様子を解析することに成功しました。詳細はこちら をご覧ください。
2008年には、植物のATP合成酵素の特異的な阻害剤・促進剤であるテントキシンが回転をどのようにコントロールするのかを明らかにしました。詳細はこちら をご覧ください。
■関連する最近の研究成果
Kim Y, Konno H, Sugano Y, Hisabori T.
Redox regulation of rotation of the cyanobacterial F1-ATPase containing thiol regulation switch.
J Biol Chem. 2011 Apr 15;286(15):13423-9. Epub 2011 Feb 23.
Sunamura E, Konno H, Imashimizu M, Mochimaru M, Hisabori T.
A conformational change of the γ subunit indirectly regulates the activity of cyanobacterial F1-ATPase.
J Biol Chem. 2012 Nov 9;287(46):38695-704. doi: 10.1074/jbc.M112.395053. Epub 2012 Sep 25.
Hisabori T, Sunamura E, Kim Y, Konno H.
The chloroplast ATP synthase features the characteristic redox regulation machinery.
Antioxid Redox Signal. 2013 Nov 20;19(15):1846-54. doi: 10.1089/ars.2012.5044. Epub 2013 Jan 3.