2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of sodium-selective optogenetic tools for super-precise optical neural manipulation
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20K21383
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
井上 圭一 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90467001)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | ロドプシン / レチナール / オプトジェネティクス / ナトリウムポンプ / ヘリオロドプシン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ナトリウムイオン（Na+）のみを高効率で細胞内へ輸送する、細胞内pHの変化など副次効果のない次世代のオプトジェネティクスツールとしての応用が期待される、新たなロドプシンの開発を行う。そのため、2018年に研究代表者の井上らが見出した、既存のロドプシンと膜内での配向が逆転したヘリオロドプシン（HeR）の構造を参考に、外向きナトリウムポンプ型ロドプシン（NaR）の細胞質側および細胞外側表面のアミノ酸の電荷バランスを変えることでタンパク質の配向を逆転し、内向きNa+ポンプへと機能転換することを目標とする。
これまでの研究により、配向反転を誘起する8～10個の変異を荷電残基に対して導入したKR2変異体の作製を完了していたが、野生型と比べて有意な配向の変化は見られなかった。即ち部位特異的点変異だけではロドプシンの反転を起こすのは難しいと考えられる。そこで本年度は、新たにN末端側に膜貫通ヘリックスを付加することで、全体の膜貫通回数を変化させ、N末とC末の位置を逆転させるアプローチを試みた。このためチャネルロドプシンなどで実績のあるNeurexin 1B-delta（Nx1BTM）（Brown et al., Cell 2018）配列を付加したところ、タンパク質の安定性が大きく下がり、正しくフォールドした分子を得ることができなかった。これについては、大腸菌中でNx1BTMが安定な膜貫通構造を形成できないためであると考えられ、今後原核生物由来の膜貫通ヘリックスの付加を検討することで改善されると期待される。
またHeRの構造的な安定性について知見を得るため、新たに第一細胞内側ループ（ICL1）上のTyr93のGly変異体の研究を行った（Nakasone et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2023）。この結果、Y93G変異体ではタンパク質の安定性が著しく下がることが明らかとなり、今後のタンパク質設計について新たな指針を得ることができた。
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[Journal Article] Phototrophy by Antenna-Containing Rhodopsin Pumps in Aquatic Environments2023
Author(s)
Chazan, Das, Fujiwara, Murakoshi, Rozenberg, Molina-Marquez, Sano, Tanaka, Gomez-Villegas, Larom, Pushkarev, Malakar, Hasegawa, Tsukamoto, Ishizuka, Konno, Nagata, Mizuno, Katayama, Abe-Yoshizumi, Ruhman, Inoue, Kandori, Leon, Shihoya, Yoshizawa, Sheves, Nureki, Beja
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Journal Title
Nature
Volume: 615
Pages: 535-540
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Characterization of Retinal Chromophore and Protonated Schiff Base in Thermoplasmatales Archaeon Heliorhodopsin Using Solid-State NMR Spectroscopy2023
Author(s)
Shibuki Suzuki, Sari Kumagai, Toshio Nagashima, Toshio Yamazaki, Takashi Okitsu, Akimori Wada, Akira Naito, Kota Katayama, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Izuru Kawamura
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Journal Title
Biophysical Chemistry
Volume: 296
Pages: 106991
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Rhodopsin-bestrophin Fusion Proteins from Unicellular Algae form Gigantic Pentameric Ion Channels2022
Author(s)
Rozenberg, Kaczmarczyk, Matzov, Vierock, Nagata, Sugiura, Katayama, Kawasaki, Konno, Nagasaka, Aoyama, Das, Pahima, Church, Adam, Borin, Chazan, Augustin, Wietek, Dine, Peleg, Kawanabe, Fujiwara, Yizhar, Sheves, Schapiro, Furutani, Kandori, Inoue, Hegemann, Beja, Shalev-Benami
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Journal Title
Nature Structural & Molecular Biology
Volume: 29
Pages: 592-603
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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