2022 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of the mechanism of rhodopsin functions for optogenetics
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21H04969
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
神取 秀樹 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70202033)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井上 圭一 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90467001)
寿野 良二 関西医科大学, 医学部, 准教授 (60447521)
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| Project Period (FY) |
2021-05-18 – 2026-03-31
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| Keywords | 動物ロドプシン / 微生物ロドプシン / ヘリオロドプシン / 構造機能相関 / 赤外分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
チャネルロドプシンをツールとして2005年に始まった光遺伝学は、脳だけでなく光による生命機能の幅広い操作を実現し、生命科学全般を革新する技術として大きな期待を集めている。ロドプシンは光遺伝学を支える標準ツールとして使われているが、私たちはこれまで、種々の新規微生物ロドプシンを発見・創成するとともに、動物ロドプシンである色覚視物質の赤外分光を用いた構造研究を世界に先駆けて行ってきた。また2018年には第三のロドプシンとも言うべきヘリオロドプシンの存在を明らかにした。
本研究では、光遺伝学を支えるロドプシンの作動メカニズムを、分光学、構造生物学、生化学・分子生物学、電気生理学を用いて明らかにする。具体的に、動物ロドプシンの研究では、色覚視物質の立体構造決定を試みる。タイプ１微生物ロドプシンの研究では、我々が次々に発見したロドプシンの新しい機能が生まれる要因を明らかにする。ヘリオロドプシンの研究では、その機能を解明するとともに、機能を生み出すメカニズムを明らかにする。本研究で対象とする様々なロドプシンは、大腸菌、酵母菌、昆虫細胞、哺乳類細胞などを用いて発現・精製する一方、必要に応じて生細胞での研究も行う。我々の学術的独自性をもたらしたのが赤外分光であり、本研究においても中心的な位置を占める。赤外分光などの分光解析に加えて、X線結晶構造解析・クライオ電顕などの構造解析、電気生理学によるイオン輸送解析などを様々なロドプシンに適用することで、作動メカニズムの解明を目指す。
以上のような３つの挑戦により、古くから知られているロドプシンに新しい描像を確立する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
動物ロドプシン研究については、熱安定性の高いサル緑視物質変異体を対象とした構造解析を行っている。当初、Ｘ線結晶構造解析を考えていたが、近年の急速な発展を受けて、クライオ電顕による解析を集中的に行っている。一方、低温分光を用いた青視物質の解析により、活性中間体が生成する前のLumi中間体において発色団に結合したプロトンが解離するという常識外の事実を明らかにした。さらに国内の共同研究により緑視物質の構造モデルを発表し、色を識別するメカニズムの一端を明らかにすることができた。
タイプ１微生物ロドプシン研究については、イスラエル・ドイツとの国際共同研究によるベストロドプシンの発見を論文発表した。この巨大複合体の分光解析の結果、13シス型ではなく11シス型に異性化すること、150 K以下では全く光反応しないことが明らかになった。ベストロドプシンは近赤外領域に吸収を持つが、さらに我々は近赤外吸収を持つ酵素ロドプシンNeoRが全トランス型から7シス型に異性化すること、この光反応は273 K未満では全く起こらないことを明らかにした。7シス型は熱的に不安定なため溶液中でもほとんど生成しない。この結果は分野を驚かせ、ロドプシン研究者に新たな課題を投げかけることになった。さらに初めてカルシウムイオンを内部に結合するロドプシン（TATロドプシン）の存在を見出した。
ヘリオロドプシン研究については、世界初の機能解明として、円石藻に感染するウイルスのヘリオロドプシンV2HeR3がプロトンを輸送することを明らかにした。円石藻の大量発生は衛星写真でもわかるほどであり、ウイルス感染が地球環境の恒常性に関わっていることが知られているが、このヘリオロドプシンは光を使って円石藻の崩壊を促進させている可能性が考えられた。
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| Strategy for Future Research Activity |
進捗状況に記載の通り、動物ロドプシン、タイプ１ロドプシン、ヘリオロドプシンのそれぞれにおいて、全く予見していなかった新たな展開も含め、作動メカニズムの理解を進めることができた。今後もこれまで通りの研究を推進したい。
動物ロドプシン研究においては、クライオ電顕を中心とした色覚視物質の構造解析を継続する。国内外の共同研究者とともに、構造決定という目標に向かって一直線に進む。一方、構造決定は作動メカニズム理解の出発点であり、構造ダイナミクスの解析が重要である。我々は幅広い時間領域の中間体に対する赤外分光解析を、様々な条件で最適化することで研究を進める。当初の計画通り、様々な動物ロドプシン、さらにはGタンパク質共役型受容体（GPCR）の構造ダイナミクスを赤外分光を中心として調べる。
タイプ１微生物ロドプシン研究においては、近赤外領域に吸収を持つベストロドプシン、酵素ロドプシンの低い光エネルギーの吸収が反応の特質とどう関わるのか、理解は始まったばかりである。当初から研究を予定していた光駆動ナトリウムポンプ、内向きプロトンポンプ、新規チャネルロドプシン、酵素ロドプシンなどもこれまでと同様、機能を生み出す作動メカニズム解明のため分光学的、生化学的、電気生理学的手法を駆使して調べる。さらに研究を進める過程で発見された新規ロドプシン、例えばカロテノイド結合型ロドプシンなどの研究も行う。
ヘリオロドプシンにおいては、イオン輸送機能を見出したV2HeR3のメカニズムを詳細に解析するとともに、ヘリオロドプシンに特徴的な分子特性をさらに深めて研究する。例えば、依然として未知のプロトン受容体の存在や、2020年に明らかにした亜鉛の結合メカニズムなど、分光学を中心として研究を進める。
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[Presentation] Spectroscopic analysis of novel microbial rhodopsin showing photoreaction from all-trans- to 11-cis-retinal2022
Author(s)
M. Aoyama, K. Katayama, R. Abe-Yoshizumi, M. Sugiura, A. Rozenberg, I. Kaczmarczyk, D. Matzov, T. Nagata, M. Shalev-Benami, O. Beja, K. Inoue, Y. Furutani, H. Kandori
Organizer
The 60th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
Int'l Joint Research
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[Presentation] Light-activated proton-transporting heliorhodopsins from marine giant viruses2022
Author(s)
S. Hososhima, R. Mizutori, R. Abe-Yoshizumi, A. Rozenberg, S. Shigemura, A. Pushkarev, M. Konno, K. Katayama, K. Inoue, S. P. Tsunoda, O. Beja, H. Kandori
Organizer
19th International Conference on Retinal Proteins
Int'l Joint Research
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