Regulation mechanism of direction of the proton translocation in proteorhodopsin

• Project/Area Number: 16K18519
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Functional biochemistry
• Research Institution: Matsuyama University
• Principal Investigator: TAMOGAMI JUN 松山大学, 薬学部, 助教 (30580089)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2017: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 生体エネルギー変換 / 微生物型ロドプシン / レチナール / フォトサイクル / プロトン移動

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this study is to clarify the molecular mechanism of reverse of direction of the proton translocation under alkaline conditions in proteorhodopsin (PR), a light-driven proton pump from marine eubacteria. From the analysis of the photocycle and accompanying proton transfer under alkaline conditions, a parallel photocycle, during which a M-like photointermediate (Ma) is formed, was observed in addition to a photocycle at neutral pH. The photocycle via Ma at alkali pH was accompanied by the sequence and direction of the photoinduced proton transfer opposite to neutral pH. Moreover, we observed that the cytoplasmic transmembrane region in PR is already hydrophilic at the dark state through the bleach reaction by hydroxylamine.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究による結果から、微生物型ロドプシンのプロトン輸送の方向を決める機構は何かという本質的な問題を考える上での１つの役立つ情報が得られたものと考える。さらに、海洋でのエネルギー合成が主な役割であるとこれまで考えられてきたPRに別の機能も存在する可能性があるという問題も提起し、近年見つかってきている内向きプロトンポンプ型の微生物型ロドプシンの生理的な機能を考える上でも重要な情報を提供するものと考えている

Research Products

• [Journal Article] Photocycle of Sensory Rhodopsin II from Halobacterium salinarum (HsSRII): Mutation of D103 Accelerates M Decay and Changes the Decay Pathway of a 13-cis O-like (2018)
  • Author(s): Dai G, Geng X, Chaoluomeng, Tamogami J, Kikukawa T, Demura M, Kamo N, Iwasa T
  • Journal Title: Photochemistry and Photobiology Volume: 94 Issue: 4 Pages: 705-714
  • DOI: 10.1111/php.12917
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Interhelical interactions between D92 and C218 in the cytoplasmic domain regulate proton uptake upon N-decay in the proton transport of Acetabularia rhodopsin II (2018)
  • Author(s): Tamogami Jun, Kikukawa Takashi, Ohkawa Keisuke, Ohsawa Noboru, Nara Toshifumi, Demura Makoto, Miyauchi Seiji, Kimura-Someya Tomomi, Shirouzu Mikako, Yokoyama Shigeyuki, Shimono Kazumi, Kamo Naoki
  • Journal Title: Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology Volume: 183 Pages: 35-45
  • DOI: 10.1016/j.jphotobiol.2018.04.012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-temperature Raman spectroscopy reveals small chromophore distortion in primary photointermediate of proteorhodopsin (2018)
  • Author(s): Fujisawa Tomotsumi、Abe Masahiro、Tamogami Jun、Kikukawa Takashi、Kamo Naoki、Unno Masashi
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 592 Issue: 18 Pages: 3054-3061
  • DOI: 10.1002/1873-3468.13219
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Existence of two O-like intermediates in the photocycle of <i>Acetabularia</i> rhodopsin II, a light-driven proton pump from a marine alga (2017)
  • Author(s): Tamogami, J., T. Kikukawa, T. Nara, M. Demura, T. Kimura-Someya, M. Shirouzu, S. Yokoyama, S. Miyauchi, K. Shimono and N. Kamo
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 14 Issue: 0 Pages: 49-55
  • DOI: 10.2142/biophysico.14.0_49
  • NAID: 130005464474
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Photochemical characterization of actinorhodopsin and its functional existence in the natural host (2016)
  • Author(s): Nakamura, S., Kikukawa, T., Tamogami, J., Kamiya, M., Aizawa, T., Hahn, M., Ihara, K., Kamo, N., Demura, M.
  • Journal Title: BBA-BIOENERGETICS Volume: 1857 Issue: 12 Pages: 1900-1908
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2016.09.006
  • NAID: 120006366475
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] アセタブラリアロドプシンIIのプロトン取り込み機構に関与するD92-C218残基間の相互作用 (2018)
  • Author(s): 〇田母神淳、菊川峰志、大川啓介、大沢登、奈良敏文、出村誠、宮内正二、染谷友美、白水美香子、横山茂之、下野和実、加茂直樹
  • Organizer: 日本生物物理学会 第10回中国四国支部大会
• [Presentation] Cl-ポンプhalorhodopsinのH+ポンプ化への試み (2018)
  • Author(s): 〇安部修平、菊川峰志、田母神淳、塚本卓、相沢智康、加茂直樹、出村誠
  • Organizer: 第45回 生体分子科学討論会
• [Presentation] Distinctively small distortion of retinal chromophore in K intermediate of proteorhodopsin observed by low-temperature Raman spectroscopy (2018)
  • Author(s): 〇Tomotsumi Fujisawa, Jun Tamogami, Takashi Kikukawa, Masashi Unno
  • Organizer: 日本生物物理学会第56回年会
• [Presentation] 高度好塩菌における走光性受容体のシグナル伝達 (2018)
  • Author(s): 〇松波梨佐、田母神淳、奈良敏文
  • Organizer: 第71回日本細菌学会中国・四国支部総会
• [Presentation] 高度好塩菌における走光性受容体のシグナル伝達 (2018)
  • Author(s): 〇松波梨佐、田母神淳、奈良敏文
  • Organizer: 第9回 愛媛微生物学ネッワーク（NAME）フォーラム
• [Presentation] センサリーロドプシンIIのThr80, Asn105への変異導入によるフォトサイクルへの影響 (2018)
  • Author(s): 〇黒田鼓、田母神淳、奈良敏文
  • Organizer: 第9回 愛媛微生物学ネッワーク（NAME）フォーラム
• [Presentation] 海藻（カサノリ）由来の光駆動プロトンポンプであるアセタブラリアロドプシンIIの光反応サイクル時に形成される２つのO中間体 (2018)
  • Author(s): 田母神淳、菊川峰志、奈良敏文、出村誠、染谷友美、白水美香子、横山茂之、宮内正二、下野和実、加茂直樹
  • Organizer: 日本薬学会第138年会
• [Presentation] アセタブラリアロドプシンIIの細胞内膜貫通領域に存在するD92およびC218残基間の相互作用の役割 (2017)
  • Author(s): 田母神淳、菊川峰志、大川啓介、大沢登、伊達公平、奈良敏文、出村誠、染谷友美、白水美香子、横山茂之、宮内正二、下野和実、加茂直樹
  • Organizer: 日本薬学会第137年会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2017-03-24
• [Presentation] 緑藻由来の光駆動プロトンポンプであるアセタブラリアロドプシンIIの光化学反応サイクルにおける２つのO中間体の形成 (2017)
  • Author(s): 田母神淳、菊川峰志、奈良敏文、出村誠、染谷友美、白水美香子、横山茂之、宮内正二、下野和実、加茂直樹
  • Organizer: 日本生物物理学会 第9回中国四国支部大会
• [Presentation] Existence of two O intermediates in the photocycle of Acetabularia rhodopsin II, a light-driven algal proton pump (2017)
  • Author(s): Jun Tamogami, Takashi Kikukawa, Toshifumi Nara, Makoto Demura, Tomomi Kimura-Someya, Mikako Shirouzu, Shigeyuki Yokoyama, Seiji Miyauchi, Kazumi Shimono, Naoki Kamo
  • Organizer: 日本生物物理学会第55回年会
• [Presentation] デルタロドプシンの細胞外表面に位置する酸性アミノ酸残基の解離状態は吸収波長に影響を与えるか (2017)
  • Author(s): 池尻朗乃、田母神淳、奈良敏文
  • Organizer: 第8回 愛媛微生物学ネッワーク（NAME）フォーラム
• [Presentation] SRII/HtrII間のシグナル伝達の分子機構 (2017)
  • Author(s): 松波梨佐、田母神淳、奈良敏文
  • Organizer: 第8回 愛媛微生物学ネッワーク（NAME）フォーラム
• [Presentation] Role of the interaction between D92 and C218 in the proton transfer reaction in Acetabularia rhodopsin II (2016)
  • Author(s): Jun Tamogami, Takashi Kikukawa, Keisuke Okawa, Noboru Ohsawa, Kohei Date, Toshifumi Nara, Makoto Demura, Tomomi Kimura-Someya, Mikako Shirouzu, Shigeyuki Yokoyama, Seiji Miyauchi, Kazumi Shimono, Naoki Kamo
  • Organizer: 日本生物物理学会第54回年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] Replacement of “donor” residues in the light-driven H+-pump rhodopsins (2016)
  • Author(s): Koki Nishiya, Syogo Sasaki, Jun Tamogami, Takashi Kikukawa, Tomoyasu Aizawa, Naoki Kamo, Makoto Demura
  • Organizer: 日本生物物理学会第54回年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] プロテオロドプシンのアルカリ性でのM様中間体の形成とプロトン移動の順番の逆転 (2016)
  • Author(s): 田母神淳、佐藤慶太郎、黒川少名、山田匠、奈良敏文、出村誠、宮内正二、菊川峰志、宗行英朗、加茂直樹
  • Organizer: 日本生物物理学会 第8回 中国四国支部大会
  • Place of Presentation: 高松テルサ（香川県高松市）
  • Year and Date: 2016-05-28