光によるＧタンパク質シグナリング制御を可能にする受容体の開発

• Project Area: Spying minority in biological phenomena -Toward bridging dynamics between individual and ensemble processes-
• Project/Area Number: 24115509
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 山下 高廣 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (50378535)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2013: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2012: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: シグナル伝達 / 光受容蛋白質 / 生物物理学 / 光受容 / 蛋白質 / 細胞内情報伝達

Research Abstract

Ｇタンパク質共役型受容体はヒトゲノムにおいて約800遺伝子存在し、それぞれ特有の刺激を受容することにより、細胞内でcAMPやカルシウムイオンなどの濃度を変化させる。このように多くの細胞で重要な働きをするＧタンパク質シグナリングを光により非侵襲的に制御するため、動物の光受容タンパク質オプシン類を改変したツールを提供することを目的とした。特に、多くの組織で汎用的に利用できる可能性の高い全トランス型レチナールを直接結合するOpn5の分子特性を詳細に解析し、それを改変することを行った。
１．脊椎動物のOpn5グループは４つのサブグループに分類でき、これまでに紫外光感受性のものと可視光感受性のもとがあることがわかっていた。最後に分子特性が解明できていなかったOpn5L1について解析したところ、多くのオプシン類がもつ11シス型レチナールを直接結合する能力を失い、専ら全トランス型のみ結合した。そして、この状態でＧタンパク質を活性化し、光受容により不活性化することもわかった。このような光によって不活性化のみされるオプシン類は始めての例であった。また、このOpn5L1の特異的な光反応を制御するアミノ酸残基の特定にも成功し、ここをターゲットにすることにより分子特性の改変につながる可能性があった。
２．分子特性が多様化している脊椎動物のOpn5を用いることにより、細胞内のＧタンパク質シグナリングを実際に光で制御できるのか検討した。その結果、複数のサブグループを強制発現した培養細胞において、細胞内のcAMP量の変化を光により制御できることがわかった。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Evolution of mammalian opn5 as a specialized UV-absorbing pigment by a single amino acid mutation (2014)
  • Author(s): Yamashita, T., Ono, K., Ohuchi, H., Yumoto, A., Gotoh, H., Tomonari, S., Sakai, K., Fujita, H., Imamoto, Y., Noji, S., Nakamura, K., and Shichida, Y.
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 289 Issue: 7 Pages: 3991-4000
  • DOI: 10.1074/jbc.m113.514075
  • NAID: 120005690203
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rod visual pigment optimizes active state to achieve efficient G protein activation as compared to cone visual pigments (2014)
  • Author(s): Kojima, K., Imamoto, Y., Maeda, R., Yamashita, T., and Shichida, Y
  • Journal Title: J. Biol. Chem Volume: 289 (8) Issue: 8 Pages: 5061-5073
  • DOI: 10.1074/jbc.m113.508507
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ligand-induced population shift leads to the activation of rhodopsin, a G-protein coupled receptor (2014)
  • Author(s): Maeda, R., Hiroshima, M., Yamashita, T., Wada, A., Nishimura, S., Sako, Y., Shichida, Y., and Imamoto, Y
  • Journal Title: Biophys. J Volume: 106 (4) Issue: 4 Pages: 915-924
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2014.01.020
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] "Chimeric proton-pumping rhodopsin containing the cytoplasmic loop of bovine rhodopsin" (2014)
  • Author(s): K. Sasaki, T. Yamashita, K. Yoshida, K. Inoue, Y. Shichida, H. Kandori
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 9 Issue: 3 Pages: 91323-91323
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0091323
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Efficiencies of activation of transducin by cone and rod visual pigments (2013)
  • Author(s): Imamoto, Y., Seki, I., Yamashita, T., and Shichida, Y
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 52 (17) Issue: 17 Pages: 3010-3018
  • DOI: 10.1021/bi3015967
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Glutamate acts as a partial inverse agonist to metabotropic glutamate receptor with a single amino acid mutation in the transmembrane domain. (2013)
  • Author(s): M. Yanagawa, T. Yamashita and Y. Shichida
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 288 Issue: 14 Pages: 9593-601
  • DOI: 10.1074/jbc.m112.437780
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chloride-dependent spectral tuning mechanism of L-group cone visual pigments (2013)
  • Author(s): Takahiro Yamashita
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 52 Issue: 7 Pages: 1192-1197
  • DOI: 10.1021/bi3016058
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unique haplotype in exon 3 of cone opsin mRNA affects splicing of its precursor, leading to congenital color vision defect. (2012)
  • Author(s): H. Ueyama, S. Muraki-Oda, S. Yamade, S. Tanabe, T. Yamashita, Y. Shichidaand H. Ogita.
  • Journal Title: Biochem. Biophys. Res. Commun. Volume: 424 Issue: 1 Pages: 152-7
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2012.06.094
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photochemical properties of mammalian melanopsin. (2012)
  • Author(s): T. Matsuyama, T. Yamashita, Y. Imamoto and Y. Shichida
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 51 Issue: 27 Pages: 5454-62
  • DOI: 10.1021/bi3004999
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparative studies on the late bleaching processes of four kinds of cone visual pigments and rod visual pigment (2012)
  • Author(s): K. Sato, T. Yamashita, Y. Imamoto and Y. Shichida
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 51 Issue: 21 Pages: 4300-8
  • DOI: 10.1021/bi3000885
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Molecular properties of vertebrate non-visual opsins, Opn5 and Opn5-like protein (2012)
  • Author(s): 山下高廣
  • Organizer: 15th International Conference on Retinal Proteins
  • Place of Presentation: スイス、アスコナ
  • Year and Date: 2012-10-03
  • Invited
• [Presentation] Diversity of molecular properties of vertebrate non-visual opsin group, Opn5
  • Author(s): T. Yamashita
  • Organizer: The 6th Asia and Oceania Conference on Photobiology
  • Place of Presentation: オーストラリア、シドニー
  • Invited
• [Book] Evolution and Senses (2013)
  • Author(s): Y. Shichida
  • Total Pages: 46
  • Publisher: Springer