| Project/Area Number |
21H04969
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
神取 秀樹 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70202033)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
寺北 明久 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (30212062)
寿野 良二 関西医科大学, 医学部, 准教授 (60447521)
加藤 英明 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (80805961)
井上 圭一 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90467001)
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| Project Period (FY) |
2021-05-18 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥617,370,000 (Direct Cost: ¥474,900,000、Indirect Cost: ¥142,470,000)
Fiscal Year 2025: ¥91,000,000 (Direct Cost: ¥70,000,000、Indirect Cost: ¥21,000,000)
Fiscal Year 2024: ¥91,000,000 (Direct Cost: ¥70,000,000、Indirect Cost: ¥21,000,000)
Fiscal Year 2023: ¥91,000,000 (Direct Cost: ¥70,000,000、Indirect Cost: ¥21,000,000)
Fiscal Year 2022: ¥91,000,000 (Direct Cost: ¥70,000,000、Indirect Cost: ¥21,000,000)
Fiscal Year 2021: ¥253,370,000 (Direct Cost: ¥194,900,000、Indirect Cost: ¥58,470,000)
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| Keywords | 動物ロドプシン / 微生物ロドプシン / ヘリオロドプシン / 構造機能相関 / 赤外分光 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、光遺伝学を支えるロドプシンの作動メカニズムを、構造生物学的、分光学的、生化学的、電気生理学的手法を駆使して解明し、古くから知られているロドプシンに新しい描像を確立する。具体的に、動物ロドプシンの研究では色覚視物質の立体構造決定を試みる。微生物ロドプシンの研究では、我々が次々に発見したロドプシンの新しい機能が生まれる要因を明らかにする。ヘリオロドプシンの研究では、機能を解明するとともに、機能を生み出すメカニズムを明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
チャネルロドプシンをツールとして2005年に始まった光遺伝学は、脳だけでなく光による生命機能の幅広い操作を実現し、生命科学全般を革新する技術として大きな期待を集めている。ロドプシンは光遺伝学を支える標準ツールとして使われているが、私たちはこれまで、種々の新規微生物ロドプシンを発見・創成するとともに、動物ロドプシンである色覚視物質の赤外分光を用いた構造研究を世界に先駆けて行ってきた。また2018年には第三のロドプシンとも言うべきヘリオロドプシンの存在を明らかにした。
本研究では、光遺伝学を支えるロドプシンの作動メカニズムを、分光学、構造生物学、生化学・分子生物学、電気生理学を用いて明らかにする。具体的に、動物ロドプシンの研究では、色覚視物質の立体構造決定を試みる。タイプ１微生物ロドプシンの研究では、我々が次々に発見したロドプシンの新しい機能が生まれる要因を明らかにする。ヘリオロドプシンの研究では、その機能を解明するとともに、機能を生み出すメカニズムを明らかにする。本研究で対象とする様々なロドプシンは、大腸菌、酵母菌、昆虫細胞、哺乳類細胞などを用いて発現・精製する一方、必要に応じて生細胞での研究も行う。我々の学術的独自性をもたらしたのが赤外分光であり、本研究においても中心的な位置を占める。赤外分光などの分光解析に加えて、X線結晶構造解析・クライオ電顕などの構造解析、電気生理学によるイオン輸送解析などを様々なロドプシンに適用することで、作動メカニズムの解明を目指す。
以上のような３つの挑戦により、古くから知られているロドプシンに新しい描像を確立する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
動物ロドプシン研究について、熱安定性の高いサル緑視物質変異体を対象とした構造解析を進めた結果、クライオ電顕によって立体構造を決定することができた。さらに緑視物質の野生型および赤視物質変異体についても構造を決定した。得られた構造は色覚視物質の特性をよく反映するとともに、予想外の発見もあった。最終年度となる2025年度には、この成果を論文発表する予定である。
タイプ１微生物ロドプシン研究について、これまで同様、着実に研究成果を発信することができた。具体的に、ウイルスが持つチャネルロドプシンや波長転換したプロテオロドプシン、ユニークな特性を持ったTATロドプシンの赤外分光結果やプロトンポンプロドプシンの電気生理結果を論文発表した。また共同研究を通して、内向きプロトンポンプや光駆動ナトリウムポンプに関する論文発表を行った。さらに光感度の高いチャネルロドプシンとして光遺伝学的視覚再生の遺伝子治療薬開発のため大手製薬会社である第一三共と共同研究を行っているGtCCR4について、立体構造を決定した論文を発表した。この論文において、分光学と電気生理学を組み合わせた実験から、感度の高さを決定する「回復時間」という新たな概念を提唱することができた。
ヘリオロドプシン研究について、特別推進研究により導入した量子カスケードレーザーを用いたデュアルコム分光法により、わずか１個の水素結合（SNap結合と命名）が活性中間体の形成や崩壊のダイナミクスを決定していることを明らかにした。さらに特別推進研究により導入した装置を活用して結晶化を進めることで、プロトン輸送能を持ったヘリオロドプシンV2HeR3の結晶構造解析に成功した。最終年度となる2025年度には、この成果を論文発表したいと考えている。
以上の研究成果に対し、分担者、研究協力者、国内外の共同研究者の連携により研究を進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
進捗状況に記載の通り、動物ロドプシン、タイプ１ロドプシン、ヘリオロドプシンのそれぞれにおいて、順調に研究が進展している。予見していなかった新たな展開も生じているが、十分に対応しながら最終年度の研究を進めたい。
動物ロドプシン研究においては、まずもって構造決定の論文を発表することである。明暗視のロドプシンの構造が決定されたのが2000年であり、そこから四半世紀が経過して色覚視物質の構造決定に至った。この点、歴史的な業績と位置付けられる。一方、赤外分光で明らかにした水分子を捉えるだけの空間分解能は達成されていないため、原子レベルでの真の理解は今後に解決されるべき課題となる。一方、クラゲやサンゴのロドプシンなど動物ロドプシンにおいても新たな発見が相次いでおり、メカニズム研究を進める。
タイプ１微生物ロドプシン研究においては、引き続き様々な新規ロドプシンを研究対象として進める。特に、光遺伝学の中でも直接的な医療応用が期待される視覚再生において、GtCCR4と並んで注目されるのが我々が創成したキメラロドプシンである。2025年2月、キメラロドプシンが慶応大病院において日本初の治験に使われたことが大きなニュースとなった。社会にインパクトを与えているキメラロドプシンや新規チャネルロドプシンの基礎研究をさらに進めたい。これらに加えて、我々がオリジナリティを有する光駆動ナトリウムポンプや内向きプロトンポンプ、TATロドプシン、ベストロドプシンなどの研究を進めたい。
ヘリオロドプシンにおいては、プロトン輸送機能を持つV2HeR3の構造解析を論文発表するとともに類似タンパク質の分光特性も調べる予定である。動物ロドプシンである色覚視物質の立体構造解析が、X線結晶構造解析からクライオ電顕にシフトした一方、V2HeR3研究により新たに導入した結晶化解析用の備品を有効に活用することができた。
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| Assessment Rating |
Interim Assessment
A+: 想定を超える研究の進展があり、期待以上の成果が見込まれる
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