2022 Fiscal Year Annual Research Report
Time-resolved XFEL crystallography and rational engineering of light-driven proteins
| Project Area | Non-equilibrium-state molecular movies and their applications |
|---|
| Project/Area Number |
19H05777
|
|---|
| Research Institution | Kyoto University |
|---|
Principal Investigator |
岩田 想 京都大学, 医学研究科, 教授 (60452330)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野村 紀通 京都大学, 医学研究科, 准教授 (10314246)
近藤 美欧 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (20619168)
草木迫 司 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (80815316) [Withdrawn]
志甫谷 渉 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (30809421)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
|
| Keywords | 膜タンパク質 / 光遺伝学 / X線自由電子レーザー / 時分割X線結晶構造解析 / クライオ電子顕微鏡単粒子解析 / ロドプシン / 構造ダイナミクス |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
①海洋細菌Nonlabens marinus由来の光駆動型イオンポンプロドプシンNM-R3は、細胞内部に向かって塩化物イオンを輸送する機能を持つ。X線自由電子レーザー（XFEL）施設「SACLA」を用いた「時分割結晶構造解析」により、光照射に伴うNM-R3の構造変化を詳細に捉えることに成功した。この結果からNM-R3が塩化物イオンを輸送するメカニズムと輸送経路を明らかにするとともに、イオンの逆流や過流入を防ぐ巧妙な仕掛けがあることを見いだした。本研究成果は、光駆動型イオンポンプロドプシンのイオン輸送の仕組みを理解する上で重要な知見であり、光を使って神経細胞機能などを操作する光遺伝学（オプトジェネティクス）のさらなる改良への応用が期待できる。
②近年自然界から発見されたチャネルロドプシンであるChRmineは、高いイオン電流、高い光感受性、長波長光によって活性化されるという光遺伝学ツールとして非常に強力な性能を有しているだけでなく、機能はチャネルロドプシンであるにも関わらず、アミノ酸配列はポンプ型ロドプシンと近いという興味深い特徴を有している。本研究では、クライオ電子顕微鏡を用いてChRmineの立体構造を決定することに成功した。ChRmineは大域的にはポンプ型と良く似ている一方、局所的には従来のポンプ型、チャネル型には見られない構造的特徴を複数有しており、このことがChRmineのユニークな分子機能の決定に寄与しているということが明らかになった。さらに得られた立体構造の知見から、長波長光によって活性化されるというChRmineの性質をさらに向上させた改変型ChRmineを開発し、3色の可視光を利用して複数の神経細胞集団を同時に光操作・計測するという、より発展的な光遺伝学実験を可能にした。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
光遺伝学は特定の神経細胞の活動を「光」によって制御する革新的技術であり、今や神経科学において必須の技術となっている。光遺伝学には光受容タンパク質であるロドプシン型膜タンパク質がツールとして利用されており、新規の高機能光遺伝学ツールを創出、改良することが待望されている。本年度の研究において、多様な光駆動型膜タンパク質の構造をXFEL時分割結晶構造解析やクライオ電子顕微鏡単粒子解析により解明し、機能する仕組みに対する理解を深めたというだけでなく、新規光駆動型膜タンパク質の構造ベースでの設計や創製に対する原理、そして神経科学分野へ強力なツールを提供したという点で、神経科学、医療の発展につながることが期待される。これらは当初の計画に沿った成果であるので、本年度の目標は概ね達成できていると自己評価した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
①光で機能制御が可能な人工タンパク質の合理的創出とSFX時分割構造解析：生体内の大部分のタンパク質は光動作性ではないので、ポンプープローブ時分割XFEL結晶構造解析法はごく一部のタンパク質にしか適用できないことになる。この弱点を補完するために、元来、天然では光動作性を示さないGタンパク質共役受容体(GPCR)を光刺激により活性化するための光動作性リガンドをB01清中班と連携して開発し、時分割結晶構造解析を行う。
②光で反応制御が可能な小分子のSFX時分割構造解析：新学術分野開拓の意欲的な試みとして、フレームワーク化した低分子金属触媒とその触媒反応の時分割構造解析を進める。金属錯体触媒が関わる反応の高速分子動画の撮影と反応に伴って生成する各種中間体の原子分解能での構造を同定することで反応機構の詳細に解明する。
|
| Remarks |
光でイオンを輸送する膜タンパク質の巧妙な仕組みhttps://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2022-02-28-2。 新規光駆動型イオンチャネルの構造解明と高性能分子ツールの創出https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2022-02-03
|
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[Journal Article] Structure of the bile acid transporter?and HBV receptor NTCP2022
Author(s)
Asami Jinta、Kimura Kanako Terakado、Fujita-Fujiharu Yoko、Ishida Hanako、Zhang Zhikuan、Nomura Yayoi、Liu Kehong、Uemura Tomoko、Sato Yumi、Ono Masatsugu、Yamamoto Masaki、Noda Takeshi、Shigematsu Hideki、Drew David、Iwata So、Shimizu Toshiyuki、Nomura Norimichi、Ohto Umeharu
-
Journal Title
Nature
Volume: 606
Pages: 1021～1026
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
