光エネルギーで作動するナノイオンポンプの構造・機能解析

• Project Area: Innovative nanoscience of supermolecular motor proteins working in biomembranes
• Project/Area Number: 21023013
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 井原 邦夫 名古屋大学, 遺伝子実験施設, 助教 (90223297)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 神山 勉 名古屋大学, 大学院・理学研究科, 教授 (30170210)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥6,400,000 (Direct Cost: ¥6,400,000); Fiscal Year 2010: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000); Fiscal Year 2009: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000)
• Keywords: 光駆動性イオンポンプ / X線結晶構造解析 / 塩素イオンポンプ / 好塩性古細菌 / 膜電位 / ハロロドプシン / 膜タンパク質 / レチナールタンパク / 塩素イオン / 立体構造 / イオンポンプ

Research Abstract

高度好塩性好アルカリ性古細菌の細胞膜には、光によって塩素イオンを能動的に菌体外から内側へと能動的に輸送するイオンポンプタンパク質、ハロロドプシン(phR)が存在する。phRの基底状態(pdb:3A7K)に加えて、今年度は、phRに結合している塩素イオンを取り除き、それを種々のイオンに置換して構造解析を行った。中性条件では、結晶をどのような溶液に置換しても塩素イオンを取り除く事は出来なかったが、結晶母液のpHを一度大きくアルカリ性にすることで塩素イオンが外れ、再度中性に戻す事で安定なイオンフリーのphRの結晶を得る事が出来た。この結晶を、種々の陰イオンを含んだ母液に浸すことで、塩素イオンが種々の陰イオンに置換したphRの結晶が得られる。イオンフリーの状態では、phRは長波長にシフトして青色になる。この状態の結晶構造(pdb:3QBG)は、結晶の格子定数が変化するほど大きな構造変化を伴っており、中でもCヘリックスは、最も大きく構造変化を起こしていた。塩素イオンと水素結合していたT126の側鎖は外側に移動し、塩素イオン取り込み経路上にあるE234の側鎖も大きな移動を伴っていた。イオンフリーのphRに、臭素イオン、硝酸イオン、アザイドを加えると、塩素イオンの添加時と同様に紫色に戻る。これらの構造は、イオン結合部位を除いて同じような構造をしていた。ただ、添加によって塩素イオンポンプが外向きのプロトンポンプになる事が報告されているアザイドイオンを結合した構造(pdb:3ABW)は、イオン結合部位での水分子の数が異なっていた。さらに、この状態においてアルカリ性で光照射する事により、シッフ塩基が外れたM中間体と考えられる吸収スペクトルが得られ、その構造解析からアザイドイオンが、E234の方向に移動している事が分かった。

Research Products

• [Journal Article] A Microbial Rhodopsin with a Unique Retinal Composition Shows Both Sensory Rhodopsin II and Bacteriorhodopsin-like Properties (2011)
  • Author(s): Sudo, Y, Ihara, K., Kobayashi, S., Suzuki, D., Irieda, H., Kikukawa, T., Kandori, H., Homma, M.
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 286 Pages: 5967-5976
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photochemistry of a putative new class of sensory rhodopsin (SRIII) coded by xop2 of Haloarcular marismortui (2011)
  • Author(s): Nakao, Y., Kikukawa, T., Shimono, K., Tamogami, J., Kimitsuki, N., Nara, T., Unno, M., Ihara, K., Kamo, N.
  • Journal Title: Journal of Photochemistry and Photobiology Volume: 102 Pages: 45-54
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gene orders in the upstream of 16S rRNA genes divide genera of the family Halobacteriaceae into two groups (2011)
  • Author(s): Minegishi, H., Kamekura, M., Kitajima-Ihara, T., Nakasone, K., Echigo, A., Shimane, Y., Usami, R., Itoh, T., Ihara, K.
  • Journal Title: International Journal of Systematics and Evolutionary Microbiology
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spectroscopic studies of a sensory rhodopsin I homologue from the archaeon Haloarcula valhsmortis. (2010)
  • Author(s): Yagasaki J, Suzuki D, Ihara K, Inoue K, Kikukawa T, Sakai M, Fujii M, Homma M, Kandori H, Sudo Y.
  • Journal Title: Biochemistry 49 Pages: 1183-1190
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal structure of the light-driven chloride pump halorhodopsin from Natronomonas pharaonis. (2010)
  • Author(s): Kouyama T, Kanada S, Takeguchi Y, Narusawa A, Murakami M, Ihara K.
  • Journal Title: Journal of Molecular Biology 396巻 Pages: 564-579
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Halorubrum chaoviator sp. nov., a haloarchaeon isolated from sea salt in Baja California, Mexico, Western Australia and Naxos, Greece. (2009)
  • Author(s): Mancinelli RL, Landheim R, Sanchez-Porro C, Dornmayr-Pfaffenhuemer M, Gruber C, Legat A, Ventosa A, Radax C, Ihara K, White MR, Stan-Lotter H.
  • Journal Title: Int J Syst Evol Microbiol. 59巻 Pages: 1669-1673
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ハロロドプシンの立体構造と塩素イオン輸送活性 (2010)
  • Author(s): 井原邦夫、金田創運、北島-井原智美、神山勉
  • Organizer: 第36回 日本生体エネルギー研究会/特定領域「革新ナノバイオ」合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2010-11-18
• [Presentation] sRIII : A new class of retinal protein found in the genus Haloarcula (2010)
  • Author(s): Tomomi Kitajima-Ihara, Naoki Kamo, K.Ihara
  • Organizer: 第48回 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2010-09-22
• [Presentation] A novel lid structure found in Natronomonas pharaonis halorhodopsin. (2010)
  • Author(s): Kunio Ihara, Soun Kanada, Tomomi Kitajima-Ihara, Tsutomu Kouyama
  • Organizer: 第48回 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2010-09-21
• [Presentation] Comparative study of archaeal light driven prton pumps for functional expression in Escherichia coli. (2010)
  • Author(s): Kunio Ihara, Soun Kanada, Tomomi Kitajima-Ihara, Tsutomu Kouyama
  • Organizer: 第14回レチナール蛋白質国際会議
  • Place of Presentation: サンタクルツ(アメリカ)
  • Year and Date: 2010-08-07
• [Presentation] Natronomonas pharaonisのハロロドプシンに存在する蓋構造は塩素イオンの取り込みを制御している (2010)
  • Author(s): 井原邦夫、北島-井原智美、金田創運、神山勉
  • Organizer: 特定領域「超分子モーターの革新的ナノサイエンス」第5回班会議
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2010-06-25
• [Presentation] 高度好塩性好アルカリ性古細菌Natronomonas pharaonisのhR大量発現株の性質 (2009)
  • Author(s): 井原邦夫, 成澤明洋, 丸山恵太、竹口優, 神山勉
  • Organizer: 第22回 日本Archaea研究会
  • Place of Presentation: 札幌
• [Presentation] バクテリオロドプシンとハロロドプシンを発現している大腸菌の比較生理学 (2009)
  • Author(s): 井原邦夫、神山勉
  • Organizer: 第47回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 徳島
• [Presentation] 高度好塩性好アルカリ性古細菌Natronomonas pharaonisの光駆動性塩素イオンポンプハロロドプシンの立体構造解析 (2009)
  • Author(s): 井原邦夫、金田創運、神山勉
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会 第35回討論会
  • Place of Presentation: 旭川