フィトグロビン

フィトグロビンは、ヘム、すなわちプロトポルフィリンIX -Fe補欠分子族を含む、グロビンスーパーファミリーに分類される球状の植物（藻類および陸上植物）タンパク質です。最も初期に知られているフィトグロビンはレグヘモグロビンで、1939年に久保がダイズ根粒の赤い色素の分光学的および化学的分析後に発見しました。^{[ 1 ]}久保の報告から数十年後、ヴァインシュタインと共同研究者によるルピナスフィトグロビン（レグヘモグロビンとして知られる）の結晶化により、このタンパク質の三次構造とマッコウクジラミオグロビンの三次構造が著しく類似していることが明らかになり、久保が発見したフィトグロビンが確かにグロビンに相当することが示されました。^{[ 2 ]}

フィトグロビンの重要な機能の一つは、一酸化窒素ジオキシゲナーゼ活性である。^{[ 3 ]}

フィトグロビン（略称Phytogbs）は緑藻類と陸上植物の両方に広く分布しています。これらは以下のように分類できます。^{[ 3 ] [ 4 ]}

• 2/2 フィトグロビン（切断型グロビンファミリー、TrHb2サブファミリー）
  • Phytogb3: シアノバクテリア、藻類、陸上植物に見られる。^{[ 3 ]}
• 3/3 フィトグロビン（ミオグロビン様ファミリー）
  • Phytogb0: 藻類、蘚苔類、裸子植物に見られる基底型。^{[ 4 ] [ 3 ]}
  • Phytogb1、2：被子植物にのみ存在する。
    • Phytogb1: 単子葉植物と双子葉植物でそれぞれ2つの部分に分かれる。^{[ 3 ]}
    • Phytogb2: 双子葉植物にのみ見られる。^{[ 3 ]}
    • Lb:レグヘモグロビン、マメ科植物の共生グロビン。^{[ 3 ]}

非マメ科植物の共生グロビン（SymPhytogbs）^{[ 4 ]}はPhytogb1とPhytogb2の間に散在している。^{[ 3 ]}共生グロビンは一般的に窒素固定を行う共生細菌に酸素を供給する。マメ科植物では細菌は根粒菌であるが、放線菌であるFrankiaが代わりにその役割を果たす放線菌もある。^{[ 3 ]}

フィトグロビン遺伝子は、3つのイントロンによって分断された遺伝子によってコードされています（ただし、コケ植物のPhyscomitrella patensでは4つのイントロンを含むフィトグロビン遺伝子が検出されています）。^{[ 5 ]}フィトグロビン遺伝子の1番目と3番目のイントロンは、ミオグロビン遺伝子と同じ位置に位置しており、フィトグロビン遺伝子とミオグロビン遺伝子は6億年以上前に共通の祖先から進化したことを示唆しています。 ^{[ 6 ]}フィトグロビン遺伝子に2番目のイントロンが存在することは、Goが理論解析を用いて予測しており、^{[ 7 ]}これはMarkerと共同研究者によるダイズlb遺伝子のクローニングと配列決定によってさらに検証されました。^{[ 8 ]}

フィトグブは、分子量が約17～19 kDaの単量体タンパク質です。ただし、高濃度（1 mM以上）では、フィトグブは二量体を形成することがあります。フィトグブのポリペプチド鎖は、グロビンフォールドとして知られる6～7本のらせん（A～Hの文字で命名）の特定の配置に折り畳まれ、ヘムが存在する疎水性ポケットを形成します。フィトグブには、3/3フォールドと2/2フォールドの2種類のグロビンフォールドが確認されています。^{[ 9 ] [ 10 ]}では、らせんA、E、FがらせんB、G、Hと重なり、らせんBとEがそれぞれらせんGとHと重なります。

Like other globins, heme-Fe in Phytogbs is coordinated at the proximal region by a His amino acid (named as proximal His). The distal region of heme-Fe can be occupied by either a variety of ligands (such as oxygen and nitric oxide) or a distal (frequently a His) amino acid, giving place to penta- or hexa-coordinate Phytogbs, respectively. The Phytogbs2, SymPhytogbs and Lbs are predominantly penta-coordinate whereas Phytogbs1 are predominantly hexa-coordinate and Phytogbs0 and Phytogbs3 are a combination of penta- and hexa-coordinate.^[4] Heme-Fe coordination is essential for Phytogb (and other globins) function because it regulates the rate of ligand-binding and –releasing as consequence of the kinetic constants k_on and k_off, respectively. For example, the affinity of soybean Lb and rice Phytogb1 for O₂ (KO₂) is moderate and very high because k_on is 130 and 68 mM⁻¹ s⁻¹, k_off is 5.6 and 0.038 s⁻¹ and KO₂ (i.e. the O₂-affinity resulting from k_on/k_off) is 23 and 1800 mM⁻¹, respectively.^[11] This indicates that soybean Lb could function as an O₂-storage or –transport protein and that the function of rice Phytogb1 (and other hexa-coordinate Phytogbs) could be other than O₂-transport because the high affinity of this protein for O₂ results from an extremely low k_off constant.^[12]

Like other globins, penta-coordinate Phytogbs reversibly bind and transport O₂. The function of Lbs in nodules was elucidated in 1974 by Wittenberg, Appleby and others.^[13] In nodules the concentration of Lbs is very high as they correspond to ~30% of the total soluble proteins. The apparent function of Lbs in nodules is to facilitate the diffusion of O₂ to the respiring bacteroids for nitrogen-fixation. At the same time, Lb contributes to maintain low O₂-levels (~10 nM) to avoid inactivation of the O₂-sensitive nitrogenase that fixes the atmospheric nitrogen.^[14]

さらに、Phytogbsは他の気体リガンド、特に一酸化窒素（NO）と結合し、NOジオキシゲナーゼ活性を示します。^{[ 15 ]}過去約15年間のHillと共同研究者による研究では、内因性NOのレベルは、遺伝子組み換えトウモロコシとアルファルファのPhytogbs1の濃度に応じて変化することが示されています。^{[ 16 ]}これらの観察に基づいて、これらの著者は、酸素化されたPhytogbsの機能は、NOジオキシゲナーゼ活性を介してNOのレベルを調節し、NOのレベルによって調節されるさまざまな細胞機能を間接的に制御することであると提案しました。酸素化されたクラス1フィトグロビンがNOと反応して硝酸塩を生成することは、植物でNOが除去される主なメカニズムです。硝酸還元酵素、亜硝酸塩からNOへの還元、フィトグロビンによるNOの除去を含むサイクルは、フィトグロビン-NOサイクルと定義されました。^{[ 17 ]}その作用により、低酸素状態中の酸化還元状態とエネルギー状態が維持され、エタノールと乳酸の生成が減少する。^{[ 18 ]}

Phytogbs0、1、2、3は、さまざまな（胚および栄養）植物器官で非常に低い濃度で合成されます。^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]しかし、洪水[ 22 ]}や光制限^{[ 23 ]}などの特定のストレス条件にさらされた植物では、Phytogbsの濃度が増加します。したがって、一部のPhytogbsは植物のストレス応答性タンパク質と考えられています。

Arredondo-Peter、Vinogradov、および共同研究者らの研究により、 Phytogbsの進化中に起こり得た主要な出来事が明らかになった。^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} Phytogbsは真核生物の起源以前の共通祖先（すなわち真正細菌ドメイン）から進化したが、植物ではPhytogbsの2つの進化系統が特定されている。(3/3-) Phytogb0、1、2およびSymPhytogbおよびLb系統と(2/2-) Phytogb3系統である。明らかに、Phytogbs0はPhytogbs1および2の祖先であり、SymPhytogbsおよびLbは共生窒素固定への適応としてPhytogb1の祖先から進化した。コケ植物のPhytogb0とイネのPhytogb1およびダイズのLbの構造を比較分析した結果、Phytogbs0、1、2、SymPhytogbs、Lbの進化過程で起こったと考えられる主な進化的変化は、(i)ヘム基における六配位から五配位への遷移、(ii)CDループおよびN末端とC末端における長さの減少、(iii)タンパク質の球状構造への凝縮であることが明らかになった。さらに、Phytogbs3のグロビンドメインの構造は、細菌の切断型グロビンの構造と非常に類似しており、2/2フォールディングがPhytogbs3の進化過程で保存されたことを示している。しかし、陸上植物のPhytogbs3のグロビンドメインは、陸上植物のPhytogbs3の祖先に由来すると考えられる余分なアミノ酸配列に挟まれている。 Phytogbs3構造における余分なアミノ酸配列の機能的および進化的意義は、まだ解明されていない。 

_{Phytogbsは、}多くのバイオテクノロジー用途に潜在的に有用である。例えば、イネのPhytogbs1が発見された直後、これらのタンパク質を電子機器のO2センサーとして使用することが意図された用途であった。また、Phytogbsの過剰発現は、作物の洪水などの特定のストレス条件に対する作物の耐性を高める戦略として提案されている^{[ 27 ] [ 28 ]} 。これは、初期の洪水シグナルであるエチレンを植物の低酸素応答に結びつけるためである^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} 。最近では、Phytogbsは血液代替品の 開発やベジバーガーの添加物として候補として検討されている。