Structural analysis of various light-driven reaction mechanisms of light-sensitive proteins.

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Non-equilibrium-state molecular movies and their applications
• Project/Area Number: 19H05779
• Research Institution: Yokohama City University
• Principal Investigator: 朴 三用 横浜市立大学, 生命医科学研究科, 教授 (20291932)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 梅名 泰史 名古屋大学, シンクロトロン光研究センター, 准教授 (10468267)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Keywords: 光感受性タンパク質 / X線自由電子レーザー / 時分割解析

Outline of Annual Research Achievements

光によって感応、応答するタンパク質には、動物や植物などに広く分布する発色団を含み、生命維持に関与するなど重要な役割を果たすものが知られる。近年では、こうした光感受性タンパク質を利用して、細胞などの光操作する技術に応用され、これまでに多くの生理現象の解明に利用されてきた。中でも、光遺伝学は、細胞や組織の生理機能を明らかにするための非常に強力な研究手法であると同時に、疾病の治療への応用の観点からも注目されている。光活性化アデニル酸シクラーゼPACは、動物、植物で普遍的な情報伝達物質(cAMP、 cGMP)の生産を光で制御できる生体タンパク質で、生体内での光スイッチとして医学的な応用が期待される分子である。PACは、最初にミドリムシから発見され以後、複数の原核生物からも相同遺伝子が見出されていたが、いずれも原子レベルでの構造・機能解明までには至ってなかったが申請者によって、藍藻由来の光活性化アデニル酸シクラーゼ（OaPAC）における初めて原子レベルでの構造・機能解明に成功した。本研究では解明されたOaPAC光活性化メカニズムの構造科学的解明を基に、細胞内でのセカンドメッセンジャー光制御への光遺伝学の展開や、PACの酵素ドメイン改変によるcGMP光産生酵素の創出、更には脳病変発生などにおける発生学的疾病の機構解明と治療を光制御医学ツールとして基礎医学的研究を目指す。本年度ではOaPACに対して微結晶調製を大量作製し、XFEL（X線自由電子レーザー）を利用し、光感受性タンパク質の多様な光応答機構の解明を目指している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

PACは日本の研究グループによって発見されたタンパク質で、青光により活性化アデニル酸シクラーゼcAMP分子を量産する酵素として、特性解明や生物機能光制御への展開も提唱・実行してきた（Nature, 2002）。本申請者は、PACの相同遺伝子であるOaPACの立体構造解明に世界初めて成功し、光活性化機構に関する構造科学的な研究は本研究グループが先駆的に積み上げてきた。神経興奮の光制御、いわゆる「光遺伝学、optogenetics」が急速に普及し、OaPACによるcAMPを介する生体機能光制御も概念上同類とみなされつつあるが、はるかに広範で多彩な生命活動の光制御につながり、血管新生・脳病変原生・神経回路ネットワーキング・記憶などの光発生医学現象の制御・解明・治療・創薬スクリーニングという広大な新分野の開拓を先導するものであり、かつ独創的な新領域の研究分野であると言える。
このような目標に向け、今後、X線自由電子レーザーを利用した高速分子動画法により、光感受性タンパク質の多様な光応答機構の解明を目指している。
今後の実験方針としては、微小結晶の調製方法が概ね確立されたため、XFELと青色レーザーを用いた時間分割構造解析を行うにあたり、微小結晶と混合する媒体の相性、および励起光の強度など本測定に向けた具体的な実験系の確立に向けた準備を行う方針である。また、単結晶を利用した秒オーダーでの構造解析についても、励起光の強度をはじめとした測定条件の検討に移り、構造解析を行う予定である。

Strategy for Future Research Activity

PACは日本の研究グループによって発見されたタンパク質で、青光により活性化アデニル酸シクラーゼcAMP分子を量産する酵素として、特性解明や生物機能光制御への展開も提唱・実行してきた（Nature, 2002）。本申請者は、PACの相同遺伝子であるOaPACの立体構造解明に世界初めて成功し、光活性化機構に関する構造科学的な研究は本研究グループが先駆的に積み上げてきた。神経興奮の光制御、いわゆる「光遺伝学、optogenetics」が急速に普及し、OaPACによるcAMPを介する生体機能光制御も概念上同類とみなされつつあるが、はるかに広範で多彩な生命活動の光制御につながり、血管新生・脳病変原生・神経回路ネットワーキング・記憶などの光発生医学現象の制御・解明・治療・創薬スクリーニングという広大な新分野の開拓を先導するものであり、かつ独創的な新領域の研究分野であると言える。
このような目標に向け、今後、X線自由電子レーザーを利用した高速分子動画法により、光感受性タンパク質の多様な光応答機構の解明を目指している。
今後の実験方針としては、微小結晶の調製方法が概ね確立されたため、XFELと青色レーザーを用いた時間分割構造解析を行うにあたり、微小結晶と混合する媒体の相性、および励起光の強度など本測定に向けた具体的な実験系の確立に向けた準備を行う方針である。また、単結晶を利用した秒オーダーでの構造解析についても、励起光の強度をはじめとした測定条件の検討に移り、構造解析を行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Leucine-sensing mechanism of leucyl-tRNA synthetase 1 for mTORC1 activation. (2021)
  • Author(s): Kim S, Yoon I, Son J, Park J, Kim K, Lee JH, Park SY, Kang BS, Han JM, Hwang KY, Kim S.
  • Journal Title: Cell Rep. Volume: 35(4) Pages: 1-13
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109031
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Early-stage dynamics of chloride ion-pumping rhodopsin revealed by a femtosecond X-ray laser. (2021)
  • Author(s): MS, Liang M, Sierra RG, Lane TJ, Zhou L, Weierstall U, Zatsepin NA, Ohki M, Tame JRH, Park SY, Spence JCH, Zhang W, Schmidt M, Lee W, Liu H.
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci U S A. Volume: 118(13) Pages: 1-9
  • DOI: 10.1073/pnas.2020486118
  • Peer Reviewed