2022 Fiscal Year Annual Research Report
赤外分光を用いた酵素型ロドプシンの光反応ダイナミクス解明
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21J22970
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
杉浦 雅大 名古屋工業大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | ロドプシン / 酵素 / セカンドメッセンジャー / 赤外分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
酵素ロドプシンは、光を受容するロドプシンドメインと、触媒反応を担う酵素ドメインから構成される膜タンパク質であり、光で細胞内シグナル伝達物質を産生または加水分解することができる。この性質は近年爆発的に普及している光遺伝学への新たな応用ツールとして期待されている。さらに、酵素ロドプシンは紫外光から近赤外光に至る非常に広範な吸収波長の多様性があり、現在注目されているロドプシンファミリーである。一方、空間的に離れた酵素ドメインがどのように活性化されているのか、という詳細な分子メカニズムの理解は不十分であった。そこで、昨年は高速な分子の動きをとらえることが可能な時間分解赤外分光法を用いて酵素ロドプシンの1つであるロドプシングアニル酸シクラーゼ（Rh-GC）の光誘起されたタンパク質の変化を測定し、各ドメインをつなぐリンカーおよび酵素ドメイン由来と考えられる信号をとらえることに成功した。現在データを追加して論文を作成中である。
また、2020年に我々が報告した新規酵素ロドプシンの論文中で見出された新たな波長制御残基について、変異体測定および他微生物ロドプシンとの比較を行うことでそのメカニズムを明らかにした。本研究成果については現在論文投稿中である。
加えて、近赤外吸収酵素ロドプシン（NeoR）において、発色団であるレチナールの光異性化反応を測定したところ、これまでの微生物ロドプシンでは報告のない全トランスから7シスへの異性化反応が観測された。この結果には、世界中のロドプシン研究者が驚き、昨年11月に行われたレチナールタンパク質国際会議では、多くの研究者から賞賛を受けた。本研究成果は2022年10月に米国化学会に掲載されている。
総じて、本年は赤外分光法を基軸に紫外可視分光法、HPLC、核磁気共鳴法など様々な手法を組み合わせることで、世界中の研究者の興味を引く結果を発表することができた。
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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
申請書において、酵素ロドプシンのドメインダイナミクスを捉えることを目標としていたが、ついにロドプシンドメインから伝わった光エネルギーがリンカーおよび酵素ドメインの構造変化を誘起している信号を捉えることに成功した。これまで、酵素ロドプシンの研究でこのような直接的な構造変化情報を得た例はないため、世界にインパクトを与えることができると考えている。現在論文準備中であり、夏までには投稿しようと考えている。
また、昨年は近赤外光吸収酵素ロドプシン(NeoR)が持つレチナール（発色団）が微生物ロドプシンでは全く報告のなかった光異性化反応を示すことを明らかにした。加えて、他のロドプシンが液体窒素温度で反応するのに対し、NeoRは水が氷る温度以下では反応せず、活性化エネルギーが非常に高いことも発見した。これらの成果をロドプシン分野で最も権威のあるレチナールタンパク質国際会議で発表すると、世界中のロドプシン研究者が驚き、多くの方から絶賛していただいた。そして、2022年10月、米国化学会J. Phys. Chem. Lett.誌に報告している。
そして、2022年度は新たなロドプシンファミリーであるベストロドプシンも報告した。このロドプシンは、ロドプシン2つとベストロフィンと呼ばれるアニオンチャネルが連なったタンパク質であり、それが5量体を組む超巨大複合構造を示す。私はドメインダイナミクスの観点から、このロドプシンについても測定を行い、ロドプシンの構造変化に由来する信号を得ている。
このようにこの2年間で、酵素ロドプシンに加え、それ以外のロドプシンにおいても、ドメインダイナミクスに関する知見を得ることに成功している。そしてNeoRの研究においては、最近新たな発見があり、今まさに研究の広がりを見せている。この結果についても、論文化に向けた実験を進めている。
よって、当初の計画以上に研究が発展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
酵素ロドプシンは発見から11年しか経っておらず、私よりも若い研究分野であるが、紫外光から近赤外光に至る広い範囲を網羅しており、現在最も吸収波長に多様性があるファミリーとなっている。加えて、その酵素反応においてもヒスチジンキナーゼやグアニル酸シクラーゼ、ホスホジエステラーゼといった多様性に富み、今まさにロドプシン研究分野で注目されている。特にNeoRは、近赤外光を吸収する特異な性質に加え、これまでの微生物ロドプシンでは報告のなかったヘテロ二量体で機能を発揮する点においてもそのメカニズムに対する研究が盛んである。そのような現状のもと、昨年には世界のロドプシン研究者を差し置いてNeoRの分子特性を報告することができた。
私は、申請書において、3年目は光遺伝学への応用に役立つメカニズム解明に向けた変異体測定を行うと記した。また、最終年度であることを自覚し、論文という形で研究成果を報告することにも重点を置きたいと考えている。既に2020年に我々が見出したロドプシンホスホジエステラーゼから発見された新たな波長制御残基については、変異体測定からその波長制御メカニズムを明らかにしている。また、この波長制御残基の変異による波長シフトメカニズムが酵素ロドプシンのみに限らず、微生物ロドプシン全般に適用可能であることを示した。現在、この研究成果を米国化学会Biochemistry誌に投稿中である。また、NeoRの変異体測定において、既に有望な結果を得ることに成功しており、今年度中に間に合うように論文執筆を行う予定である。さらに、時間分解赤外分光によって得られたロドプシングアニル酸シクラーゼの光誘起構造変化に関する論文の執筆も進めており、今年度は論文作成と実験を両立できると考えている。
積極的に学会にも参加することで、論文作成に向けた構想を練り上げていきたい。
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| Remarks |
①若手の会だより執筆, DOI : 10.2142/biophys.62.202、②第62回 生物物理若手の会 夏の学校(2022) 主催：http://bpwakate.net/summer2022/index.html、③進学を考えている学部生に聞いて欲しいドクターコース説明会, 依頼講演、④学振特別研究員申請支援セミナー, 依頼講演：https://onl.la/ZP4i4CT
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Research Products
(16 results)
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[Presentation] 特異な光化学特性を示す近赤外光吸収酵素ロドプシン2023
Author(s)
杉浦雅大, 石川和季, 片山耕大, 住井裕司, 水鳥律, 吉住玲, 角田聡, 古谷祐詞, 柴田哲男, Leonid S. Brown, 神取秀樹
Organizer
日本生物物理学会中部支部 令和4年度中部支部講演会
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