X線結晶構造解析に基づく改変型チャネルロドプシンの創出

• Project/Area Number: 11J06643
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 加藤 英明 東京大学, 大学院 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2011 – 2013
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2013: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2012: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
• Keywords: 構造生物学 / X線結晶構造解析 / チャネルロドプシン / ロドプシン / 光遺伝学 / 神経生物学 / 陽イオンチャネル / ナトリウムポンプ

Research Abstract

一昨年度に解明したチャネルロドプシンの閉状態における結晶構造を元に、「発色団であるレチナール分子のβイオノン環を回転させることでチャネルロドプシンの吸収波長を短波長側にシフトさせる」という新規設計法を提唱した。変異体を実際に作製し、その吸収・励起スペクトルの測定を行うことで設計通りの変異体を作製することに成功、この変異体を用いて実際に生きたマウスの神経細胞を興奮させることにも成功した。更に、この変異体の構造解析を行うことで実際にレチナール分子のβイオノン環が捻れていることを明らかにし、作製した変異体の波長シフトの原因が、理論通りレチナール分子の捻れによって引き起こされていることを証明した。更に、チャネルロドプシン以外の他のロドプシンについても同設計法が適用出来ることを実証し、本手法が広くロドプシンの波長シフト変異体を作製する際の普遍的な方法として利用可能であることを示した。現在これらの結果をまとめて投稿準備中である。また、チャネルロドプシンとは逆に、光を照射するとナトリウムイオンを細胞外に排出するKrokinobacter rhodopsin2 (KR2)についてもその構造解析を行い、2.3Åという高分解能でその立体構造を決定することに成功した。得られた結晶構造と分光学的解析を組み合わせることで、このKR2とよばれるタンパク質がどのようにしてナトリウムイオンポンプという機能を獲得することが出来たのか、その分子基盤を解明することに成功した(現在投稿準備中。)

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初3年目の目的であったチャネルロドプシンの吸収波長変異体の作成に付いても論文にまとめるだけの成果が得られているのみならず、チャネルロドプシンと類縁の新規微生物型ロドプシンであるKR2についても、その構造解析に成功し、光駆動性ナトリウムイオンポンプという新規機能の構造基盤を解明することが出来た。そのため、本年度が最終年度であるが、当初の計画以上に進展したと判断した。

Strategy for Future Research Activity

本年度が最終年度ではあるが、今度の研究の推進方策としては、立体構造情報を元に吸収波長以外のプロパティを変化させたチャネルロドプシンやKR2、例えばイオン選択性の変化したチャネルロドプシンやKR2の創製を試みるということが考えられる。特に今回、KR2の結晶構造からプロトンポンプ以外の陽イオンポンプを可能とするのに必要な構造モチーフが明らかになった為、この情報を元に、未だ自然界から発見されていない光駆動性カリウムイオンポンプの創製を試みるということを方策として掲げる。

Research Products

• [Journal Article] Water-containing hydrogen-bonding network in the active center of channelrhodopsin. (2014)
  • Author(s): Ito, S., Kato, H. E., Taniguchi, R., Nureki, O. and Kandori, H.
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 136 Issue: 9 Pages: 3475-3482
  • DOI: 10.1021/ja410836g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis for dynamic mechanism of proton-coupled symport by the peptide transporter POT. (2013)
  • Author(s): Doki, S., Kato, H. E., Solcan, N., Iwaki, M., Koyama, M., Iwase, N., Tsukazaki, T., Sugita, Y., Kandori, H., Newstead, S., Ishitani, R., and Nureki, O.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States Volume: 110 Issue: 28 Pages: 11343-11348
  • DOI: 10.1073/pnas.1301079110
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal structure of channelrhodopsin, a light-gated cation channel - all cations lead through the monomer - (2013)
  • Author(s): Kato. H. E. and Nureki, O.
  • Journal Title: BIOPHYSICS Volume: 9 Issue: 0 Pages: 57-61
  • DOI: 10.2142/biophysics.9.57
  • NAID: 130003366030
  • ISSN: 1349-2942
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural and Spectral Characterization of C1C2 Channelrhodopsin and its Mutants by Molecular Simulations (2013)
  • Author(s): Motoshi Kamiya, Hideaki E. Kato, Ryuichiro Ishitani, Osamu Nureki, Shigehiko Hayashi
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 556 Pages: 266-271
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2012.11.066
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis for the drug extrusion mechanism by a MATE multidrug transporter (2013)
  • Author(s): Y・ Tanaka, C・J・ Hipolito, A・D・ Maturana, K・ Ito, T・ Kuroda, T・ Higuchi, T・ Katoh, H・E・ Kato, M・ Hattori, K・ Kumazaki, T・ Tsukazaki, R・ Ishitani, H・ Suga, O・ Nureki
  • Journal Title: Nature Volume: 496 Issue: 7444 Pages: 247-51
  • DOI: 10.1038/nature12014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 光駆動性陽イオンチャネルであるチャネルロドプシンの結晶構造 (2012)
  • Author(s): 加藤英明、濡木理
  • Journal Title: 日本結晶学会誌 Volume: 54 Pages: 220-225
  • NAID: 10031042484
• [Journal Article] Crystal Structure of Channelrhodopsin, a Light-Gated Cation Channel : All Cations Lead through the Monomer (2012)
  • Author(s): Hideaki E. Kato, Osamu Nureki
  • Journal Title: Photon Factory Activity Report 2011 -PartA- highlights Volume: 29 Pages: 47-47
• [Journal Article] Crystal structure of the channelrhodopsin light-gated cation channel (2012)
  • Author(s): Hideaki E.Kato, Feng Zhang, Ofer Yizhar, Charu Ramakrishnan, Tomohiro Nishizawa, Kunio Hirata, Jumpei Ito, Yusuke Aita, Tomoya Tsukazaki, Shigehiko Hayashi, Peter Hegemann, Andres D.Maturana, Ryuichiro Ishitani, Karl Deisseroth, Osamu Nureki
  • Journal Title: Nature Volume: 482 Issue: 7385 Pages: 369-374
  • DOI: 10.1038/nature10870
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Structural and computational analyses of channelrhodopsin, a light-gat ed cation channel (Poster 001) (2013)
  • Author(s): Hideaki E. Kato, Mizuki Takemoto, Michio Koyama, Jumpei Ito, Shigehiko Hayashi, Andres D. Maturana, Karl Deisseroth, Ryuichiro Ishitani and Osamu Nureki
  • Organizer: International Symposium Optogenetics 2013
  • Place of Presentation: 三田, 東京都
  • Year and Date: 2013-09-26
• [Presentation] Structural and computational analyses of channelrhodopsin, a light-gat ed cation channel (Poster 056) (2013)
  • Author(s): Hideaki E. Kato, Mizuki Takemoto, Michio Koyama, Jumpei Ito, Shigehiko Hayashi, Andres D. Maturana, Karl Deisseroth, Ryuichiro Ishitani and Osamu Nureki
  • Organizer: 27^<th> Annual Symposium of the Protein Society
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 2013-07-21
• [Presentation] Crystal structure of channelrhodopsin, a light-gated cation channel (2012)
  • Author(s): 加藤英明
  • Organizer: 第50回日本生物物理学会年会(1YS0930)
  • Place of Presentation: 名古屋大学(愛知)(招待講演)
  • Year and Date: 2012-09-23
• [Presentation] チャネルロドプシンの構造解析を通じて視る脂質キュービック法 (2012)
  • Author(s): 加藤英明
  • Organizer: 蛋白研セミナー"高難度結晶の分解能向上に秘策はあるのか?"
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(愛知)(招待講演)
  • Year and Date: 2012-09-20
• [Presentation] Crystal structure of channelrhodopsin, a light-gated cation channel (2012)
  • Author(s): 加藤英明
  • Organizer: 第12回日本蛋白質科学会年会(2SA-05)
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場(愛知)(招待講演)
  • Year and Date: 2012-06-21
• [Presentation] Crystal structure of channelrhodopsin, a light-gated cation channel (2012)
  • Author(s): Hideaki Kato
  • Organizer: Gordon Research Conferences "Ligand Recognition & Molecular Gating"
  • Place of Presentation: アメリカ カリフォルニア州Ventura
  • Year and Date: 2012-01-19
• [Presentation] Crystal structure of channelrhodopsin, a light-gated cation channel (2012)
  • Author(s): 加藤英明
  • Organizer: 若手分野間連携プロジェクト冬の会議in箱根6^<th> Circular
  • Place of Presentation: 強羅静雲荘(神奈川)
  • Year and Date: 2012-01-12
• [Presentation] X-ray crystallographic analysis of channelrhodopsin, light-gated cation channel.(演題番号2T7pI-6) (2011)
  • Author(s): 加藤英明
  • Organizer: 第34回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川)
  • Year and Date: 2011-12-14
• [Book] オプトジェネティクス-光工学と遺伝学による行動制御技術の最前線- 1編1章1節 チャネルロドプシンの構造機能解析 (2013)
  • Author(s): 加藤英明、石谷隆一郎、濡木理
  • Total Pages: 10
  • Publisher: 理工学系出版社(株)エヌ・ティー・エス
• [Remarks]
  • URL: http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2013/32.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.pssj.jp/NEWSLETTER/14/Newsletter14-1.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/stu01/h12_03_j.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.moleculardimensions.com/applications/upload/MD1-%2085%20MemMeso.pdf
• [Remarks]
  • URL: http://www.pssj.jp/NEWSLETTER/12/Newsletter12-5.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.merckmillipore.jp/merck-award/japanese/c_0iCb.s1OjWAAAAEbbWU10jRv
• [Remarks]
  • URL: http://www.jsps.go.jp/j-ikushi-prize/ichiran_2_h24.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.asahi.com/tech_science/articles/TKY201304070058.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2012/03.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/ja/todai-research/research-information/channelrhodopsin/
• [Remarks]
  • URL: http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2012/120123_3