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霊長類色覚視物質の赤外分光研究

Research Project

Project/Area Number 11J07652
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Biophysics
Research InstitutionNagoya Institute of Technology

Principal Investigator

片山 耕大  名古屋工業大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2011 – 2012
Project Status Declined (Fiscal Year 2012)
Budget Amount *help
¥1,400,000 (Direct Cost: ¥1,400,000)
Fiscal Year 2012: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2011: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords生物物理 / 視物質 / 波長制御 / 赤外分光 / レチナールシッフ塩基 / 変異タンパク質 / 色覚 / 同位体標識試料 / 構造解析 / 内部結合水 / 培養細胞
Research Abstract

本研究では霊長類赤・緑視物質の変異タンパク質を作製し、低温赤外分光法を適用することで、両色覚視物質の波長制御機構、光反応制御機構に関わる構造要因を明らかにすることが目的である。さらに、レチナール分子の振動バンドを帰属するために、レチナール分子の同位体標識試料を用いた色覚視物質の作製、高精度な分光測定も目的としている。本年度の研究成果の概要を以下に記述する。
1.霊長類の色覚視物質は試料調製の困難さから構造解析が全く行われていなかった現状下、私は培養細胞を用いて作製した霊長類の赤・緑感受性視物質に対する高精度の赤外分光測定による構造解析を行ってきた。これまでに2報の論文を発表しており、今回は部位特異的な変異タンパク質に対する実験に挑戦した。これにより、赤・緑視物質間で違いが観測されていた赤外振動バンドを帰属し、両者の構造の違いがどのアミノ酸や水分子に由来するのか明らかにできると期待する。すでに違いを生み出すアミノ酸の一つを特定することにも成功している。現在はさらなる変異実験を加えることで、より詳細に赤・緑視物質間の構造の違いを明らかにしていくと同時に、それらの構造の違いと波長制御との関連性について議論する。またこれまでの変異実験による研究成果は論文作成中である。
2.ロドプシン(明暗を認識する視覚タンパク質)と色覚視物質は、レチナールがリシン残基とプロトン化シッフ塩基を形成して結合しており、この正電荷を安定化させるために対イオン(グルタミン酸)が存在する。波長制御においてこのイオン対構造における相互作用の強さが重要と言われており、今回私はこの相互作用の強さを実験的に明らかにするためレチナール分子の同位体標識試料を用いたシッフ塩基の振動モードを帰属することに挑戦した。帰属に成功したシッフ塩基の振動モードは赤・緑視物質間でよく類似しており、レチナールと対イオンとの相互作用の強さは波長制御に関与しないことが示唆された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

5年前より盤長類色覚視物質の赤外分光解析による構造解析に取り組んできて、すでに赤・緑視物質間で構造の違いを反映した振動バンドが観測されている。しかし野生型の結果だけでは、それらの違いがどのアミノ酸や水分子に由来するのか特定できなかった。一方で部位特異的な変異タンパク質やレチナールの同位体標識試料に対する高精度なスペクトル測定に挑戦した本年度の研究成果は、色覚視物質の結晶構造がない現状下で、両色覚視物質間の構造の違いを生み出すアミノ酸や水分子の位置を特定し、構造基盤に立脚して波長制御機構を理解するといった目的に向かって着実に進展していると確信していることが理由である。

Strategy for Future Research Activity

過去の系統的な霊長類色覚視物質に対する変異実験を駆使した可視吸収分光測定の結果によると、波長制御にはレチナール近傍のアミノ酸が重要であると示唆されており,赤・緑視物質間での構造の違いもこれらのアミノ酸が関与していると考えられたため、本研究における変異部位もレチナール近傍に注力してきた。しかし各種変異実験を積み重ねった結果、両色覚視物質間の構造の違いがレチナールから数A離れた位置に存在することを見出した。従って、今後は離れた部位のアミノ酸の変異実験も加えることで、構造の違いと波長制御との関連性について明らかにすることを目指す。また、残された青視物質のタンパク質発現系の確立及び高精度な赤外分光測定にも挑戦する。これまで世界中で色覚視物質の構造解析が実現されていなかったことに、タンパク質調製の困難さが挙げられていたが、赤・緑視物質よりもさらに調製が困難とされる青視物質の構造解析をなんとか実現し、赤・緑・青という色覚視物質の波長制御メカニズムに関して、構造モデルを提示する。

Report

(2 results)
  • 2012 Annual Research Report
  • 2011 Annual Research Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2013 2012 2011

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (14 results)

  • [Journal Article] Color Vision : "OH-Site" Rule for Seeing Red and Green2012

    • Author(s)
      Sivakumar Sekharan, et al.
    • Journal Title

      J. Am. Chem. Soc.

      Volume: 134 Issue: 25 Pages: 10706-10712

    • DOI

      10.1021/ja304820p

    • Related Report
      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Protein-Bound Water Molecules in Primate Red- and Green-Sensitive Visual Pigments2012

    • Author(s)
      Katayama, et al
    • Journal Title

      Biochemistry

      Volume: 51 Issue: 6 Pages: 1126-1133

    • DOI

      10.1021/bi201676y

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] FTIR study of monkey green- and red-sensitive pigments2013

    • Author(s)
      片山耕大
    • Organizer
      Nagoya Symposium Frontiers in Structural Physiology
    • Place of Presentation
      名古屋
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Vibrational modes of the retinal Schiff base in primate color visual pigments2012

    • Author(s)
      片山耕大
    • Organizer
      4th International Symposium on Emergence of Highly Elaborated π-Space and its Function
    • Place of Presentation
      浜名湖
    • Year and Date
      2012-11-13
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] 霊長類色覚視物質のレチナールシッフ塩基の振動モード解析2012

    • Author(s)
      片山耕大
    • Organizer
      第43回中部化学関係学協会支部連合秋季大会
    • Place of Presentation
      名古屋
    • Year and Date
      2012-11-10
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] FTIR study of monkey green- and red-sensitive visual pigments2012

    • Author(s)
      片山耕大
    • Organizer
      The seminar; Institute of Physical Chemistry
    • Place of Presentation
      Karlsruhe, Germany(招待講演)
    • Year and Date
      2012-10-08
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Vibrational modes of the retinal Schiff base in primate color visual pigments2012

    • Author(s)
      片山耕大
    • Organizer
      15th International Conference Retinal Protein
    • Place of Presentation
      Ascona (Europe/Zurich), Switzerland
    • Year and Date
      2012-10-01
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] ATR-FTIR study of monkey green-sensitive visual pigment2012

    • Author(s)
      片山耕大
    • Organizer
      The 50th Annual Meeting of the Biophysics Society of Japan
    • Place of Presentation
      名古屋
    • Year and Date
      2012-09-22
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] 全反射赤外分光法によるサル緑感受性視物質のクロライドイオン結合機構解析2012

    • Author(s)
      片山耕大
    • Organizer
      第39回生体分子科学討論会
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      2012-06-08
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] 全反射赤外分光法によるサル緑感受性視物質のクロライドイオン結合機構解析2012

    • Author(s)
      片山耕大
    • Organizer
      平成23年度生物物理中部支部講演会
    • Place of Presentation
      名古屋
    • Year and Date
      2012-03-19
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] 全反射赤外分光法によるサル緑感受性視物質のクロライドイオン結合機構解析2012

    • Author(s)
      片山耕大
    • Organizer
      第52回生物物理若手の会夏の学校
    • Place of Presentation
      北海道
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] 霊長類色覚視物質の内部結合水の構造解析2011

    • Author(s)
      片山耕大
    • Organizer
      第17回錯体化学若手の会中部・東海地区勉強会
    • Place of Presentation
      名古屋
    • Year and Date
      2011-11-12
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Protein-bound water molecules in primate red- and green-sensitive visual pigments2011

    • Author(s)
      片山耕大
    • Organizer
      The 49^<th> Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
    • Place of Presentation
      姫路
    • Year and Date
      2011-09-16
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] 霊長類色覚視物質の内部結合水の構造解析2011

    • Author(s)
      片山耕大
    • Organizer
      第38回生体分子科学討論会
    • Place of Presentation
      筑波
    • Year and Date
      2011-06-17
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] FTIR study of monkey green- and red-sensitive pigments2011

    • Author(s)
      片山耕大
    • Organizer
      Seminar in Paul Scherrer Institute
    • Place of Presentation
      Villigen, Switzerland(招待講演)
    • Year and Date
      2011-06-17
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] FTIR study of monkey green- and red-sensitive pigments2011

    • Author(s)
      片山耕大
    • Organizer
      Mini-symposium "Biophysics on function study of protein"
    • Place of Presentation
      Berlin, Germany(招待講演)
    • Year and Date
      2011-06-14
    • Related Report
      2011 Annual Research Report

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Published: 2011-12-12   Modified: 2024-03-26  

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