光駆動型ナトリウムポンプの生理的意義とイオン輸送機構の解明

• 研究課題/領域番号: 26440042
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 機能生物化学
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 菊川 峰志 北海道大学, 先端生命科学研究院, 講師 (20281842)
• 研究分担者: 宮内 正二 東邦大学, 薬学部, 教授 (30202352)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2016年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2015年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2014年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: ロドプシン / ナトリウムポンプ / フォトサイクル / レチナール / 膜蛋白質 / イオンポンプ / 微生物ロドプシン

研究成果の概要

微生物型ロドプシンは、色素レチナールを内包する膜タンパク質である。レチナールの光吸収をきっかけとして、複数の構造の異なる中間体を経由する光反応サイクルを周り、この間にイオンの膜輸送や光情報伝達を行う。本研究では、外向きにNa+を輸送するNa+ポンプ型ロドプシン（NaR）の機能解析を行い、以下の成果を得た。１）タンパク質表面へのカチオン結合が暗状態の構造を変調し、光反応初期に出現する中間体を決定する。２）NaRのNa+取込みと放出が、O中間体の生成・崩壊に同期して起こることを、Na+濃度変化の直接観測から明らかとした。

研究成果

• [雑誌論文] Photochemical characterization of actinorhodopsin and its functional existence in the natural host (2016)
  • 著者名/発表者名: Nakamura, S., Kikukawa, T., Tamogami, J., Kamiya, M., Aizawa, T., Hahn, M., Ihara, K., Kamo, N., Demura, M.
  • 雑誌名: BBA-BIOENERGETICS 巻: 1857 号: 12 ページ: 1900-1908
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2016.09.006
  • NAID: 120006366475
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Characterization of a Cyanobacterial Chloride-Pumping Rhodopsin and its Conversion into a Proton Pump (2016)
  • 著者名/発表者名: Hasemi, T., Kikukawa, T., Kamo, N., Demura, M.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 291 号: 1 ページ: 355-362
  • DOI: 10.1074/jbc.m115.688614
  • NAID: 120005725144
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Probing the Cl--pumping photocycle of pharaonis halorhodopsin: Examinations with bacterioruberin, an intrinsic dye, and membrane potential-induced modulation of the photocycle (2015)
  • 著者名/発表者名: Kikukawa, T., Kusakabe, C., Kokubo, A., Tsukamoto, T., Kamiya, M., Aizawa, T., Ihara, K., Kamo, N., Demura, M.
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta 巻: 1847 号: 8 ページ: 748-758
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2015.05.002
  • NAID: 120005820700
  • 査読あり
• [雑誌論文] The effects of chloride ion binding on the photochemical properties of sensory rhodopsin II from Natronomonas pharaonis (2014)
  • 著者名/発表者名: Tamogami, J., Iwano, K., Matsuyama, A., Kikukawa, T., Demura, M., Nara, T., Kamo, N.
  • 雑誌名: J. Photochem. Photobiol. Sci. 巻: 141 ページ: 192-201
  • DOI: 10.1016/j.jphotobiol.2014.10.010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interaction between tachyplesin I, an antimicrobial peptide derived from horseshoe crab, and lipopolysaccharide (2014)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kushibiki, Masakatsu Kamiya, Tomoyasu Aizawa, Yasuhiro Kumaki, Takashi Kikukawa, Mineyuki Mizuguchi, Makoto Demura, Shun-ichiro Kawabata, Keiichi Kawano
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta - Proteins and Proteomics 巻: 1,844 号: 3 ページ: 527-534
  • DOI: 10.1016/j.bbapap.2013.12.017
  • 査読あり
• [学会発表] Solid-state NMR analysis of sodium ion pump rhodopsin and its Na+-binding (2016)
  • 著者名/発表者名: Tamaki, H., Saito, Y., Egawa, A., Kikukawa, T., Fujiwara, T., Demura, M.
  • 学会等名: 17th International Conference on Retinal Proteins
  • 発表場所: ポツダム（ドイツ）
  • 年月日: 2016-10-03
  • 国際学会
• [学会発表] Replacements of “donor” residues in the light- driven H+-pump rhodopsins (2016)
  • 著者名/発表者名: Nishiya, K., Sasaki, S., Tamogami, J., Kikukawa, T., Aizawa, T., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県・筑波）
• [学会発表] Photocycle of Mastigocladopsis repens halorhodopsin and the role of its TSD motif (2016)
  • 著者名/発表者名: Hasemi, T., Kikukawa, T., Aizawa, T., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県・筑波）
• [学会発表] Light-induced conformational change of inward Cl- pump halorhodopsin (2016)
  • 著者名/発表者名: Kikukawa, T., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 13th International Conference on Flow Dynamics
  • 発表場所: 仙台国際センター（宮城県・仙台）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Inversion of sequence and direction of the proton transfer in proteorhodopsin at high pH (2015)
  • 著者名/発表者名: Tamogami, J., Kikukawa, T., Nara, T., Demura, M., Muneyuki, E., Kamo, N.
  • 学会等名: The 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • 発表場所: Honolulu (USA)
  • 年月日: 2015-12-19
  • 国際学会
• [学会発表] Conversion of a novel chloride pumping rhodopsin to a proton pump with a single amino acid replacement (2015)
  • 著者名/発表者名: Hasemi, T., Kikukawa, T., Kamiya, M., Aizawa, T., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 第５３回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県・金沢）
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] Functionally important residues in the cytoplasmic half channel of light-driven Cl- pump Natronomonas pharaonis halorhodopsin (2015)
  • 著者名/発表者名: Shimosaka, A., Kikukawa, T., Kamiya, M., Aizawa, T., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 第５３回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県・金沢）
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] Photochemistry of the H+-pumping rhodopsin from freshwater Actinobacteria (2014)
  • 著者名/発表者名: Nakamura, S., Kikukawa, T., Kamiya, M., Aizawa, T., Hahn, M.W., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 16th International Conference on Retinal Proteins
  • 発表場所: 長浜ロイヤルホテル（滋賀県）
  • 年月日: 2014-10-05 – 2014-10-10
• [学会発表] The importance of Thr218 for Cl--pumping photocycle of Natronomonas pharaonis halorhodopsin (2014)
  • 著者名/発表者名: Shibasaki, K., Shigemura, H., Kikukawa, T., Kamiya, M., Aizawa, T., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 16th International Conference on Retinal Proteins
  • 発表場所: 長浜ロイヤルホテル（滋賀県）
  • 年月日: 2014-10-05 – 2014-10-10
• [学会発表] Proton Transfer Reactions of Anabaena Sensory Rhodopsin (2014)
  • 著者名/発表者名: Hasemi, T., Kikukawa, T., Kamiya, M., Aizawa, T., Jung, K.H., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 16th International Conference on Retinal Proteins
  • 発表場所: 長浜ロイヤルホテル（滋賀県）
  • 年月日: 2014-10-05 – 2014-10-10
• [学会発表] Acetabularia rhodopsin II (ARII)のAsp81変異体による一過性光誘起電流 (2014)
  • 著者名/発表者名: 宮内正二, 下野和実, 菊川峰志, 出村誠, Jung, K.H., 加茂直樹
  • 学会等名: 第５２回日本生物物理学会
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（北海道）
  • 年月日: 2014-09-26
• [学会発表] 固体NMR法によるタンパク質立体構造解析への常磁性緩和促進の応用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田巻初, 江川文子, 木戸浩貴, 亀田倫史, 神谷昌克, 菊川峰志, 相沢智康, 藤原敏道, 出村誠
  • 学会等名: 第５２回日本生物物理学会
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（北海道）
  • 年月日: 2014-09-26
• [学会発表] Truepera radiovictrix由来Na+ポンプ型ロドプシンの機能解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 後藤歌月, 菊川峰志, 長谷見崇俊, 斉藤優太, 神谷昌克, 相沢智康, 加茂直樹, 出村誠
  • 学会等名: 第５２回日本生物物理学会
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（北海道）
  • 年月日: 2014-09-25
• [学会発表] アクチノロドプシンのHis-62残基の光化学反応における役割 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中村槙太郎, 菊川峰志, 神谷昌克, 相沢智康, Hahn Martin W, 加茂直樹, 出村誠
  • 学会等名: 第５２回日本生物物理学会
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（北海道）
  • 年月日: 2014-09-25