Supramolecular structure of photoreceptor proteins and the dynamic molecular mechanism on signal transduction

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H03223
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43040:Biophysics-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: YAMASHITA Hayato 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (10595440)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 林 文夫 神戸大学, 理学研究科, 名誉教授 (80093524) ; 森垣 憲一 神戸大学, バイオシグナル総合研究センター, 准教授 (10358179) ; 粟津 暁紀 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 准教授 (00448234)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 光受容体 / ロドプシン / GPCR / 高速原子間力顕微鏡 / バイオイメージング / クラスター / シグナル伝達 / 1分子動態

Outline of Final Research Achievements

Rhodopsin (Rh), a G protein-coupled receptor (GPCR) that initiates phototransduction, is suggested to form supramolecular clusters on the disk membrane in photoreceptor cells. However, the functional role of Rh organization in phototransduction remains unrevealed. In this study, we observed the interaction process of G protein transducin (Gt) with Rh supramolecular clusters using high-speed atomic force microscopy (HS-AFM). We succeeded in visualizing the structure of Rh supramolecular clusters at high resolution and capturing the single molecular dynamic behavior of Gt on Rh clusters under dark and light conditions, respectively. These results provide important insights to understand the functional roles of supramolecular clusters in phototransduction.

Free Research Field

生物物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

受容体膜蛋白質の多くは、細胞膜中でそれらの機能発現に深く関わる多量体や超分子構造を形成する。二量体の列を基本構造とする超分子クラスターを作る光受容体Rhに対して、本研究では高速AFMを用いて光シグナル伝達過程であるGtとの相互作用動態を1分子レベルで可視化することで、その分子動態機構が明らかとなってきた。これらの知見はRh超分子クラスター形成の機能的意義の解明に繋がると期待されるとともに、超分子構造を形成する他の受容体膜蛋白質の研究にも重要な示唆を与えるものである。また本研究で開発した技術は様々な受容体蛋白質の分子複合体の研究に対しても応用できる可能性があることを示した。