2022 Fiscal Year Annual Research Report
Understanding of the ground principle underlying the expression of a wide variety of protein functions by studying microbial rhodopsins as a model system
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21H01875
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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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) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 微生物ロドプシン / タンパク質機能 / 機能計測 / 構造解析 / 分光計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は広範な真核藻類が１～２個の微生物ロドプシンとベストロフィンチャネルの融合タンパク質である、ベストロドプシンを持つことを明らかにした。ベストロドプシンの一つであるTaraRRBは生理学的条件化において661nmに極大吸収波長を示し、これはイオン輸送型の微生物ロドプシンとして最長のものである。従って、TaraRRBは細胞侵襲性が低く、組織透過性に優れた長波長光を用いたオプトジェネティクスツールとして高いポテンシャルを有していると期待される。また興味深いことに、TaraRRBは光励起に伴ってレチナールがall-trans型から11-cis型へと異性化することがHPLC解析によって明らかとなった。この異性化パターンは一般的な微生物ロドプシンで見られるall-trans型→13-cis型への異性化とは異なる一方で、レチナール異性化酵素やペロプシンなどの一部の動物ロドプシンと同一のものである。このことは、レチナール結合サイトの特異な構造により、TaraRRBでは光励起後のレチナールのねじれに対するエネルギー表面が、微生物ではなく動物ロドプシンのものに近くなっていることを示唆している（Rozenberg et al. Nat. Strut. Mol. Biol. 2022）。
また耐熱性シゾロドプシンについて速度論的な研究を行い、内向きH+輸送時のレチナールシッフ塩基のプロトン化および再プロトン化のいずれの過程も、重水中において大きな速度論的同位体効果を示し、重原子の間のH+ポッピングによってこれらの過程が律速されていることが明らかとなった（Kawasaki et al. Biochim. Biophys. Acta, 2022）
さらに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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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度はこれまでの当研究課題における研究により、耐熱性シゾロドプシンやベストロドプシン、新奇ドメイン結合型ヘリオロドプシン、CPRロドプシン、DSEロドプシンなど、当初の想定を大きく上回る数の新奇機能や物性を持つロドプシンのサブファミリーが同定されている。またDTGロドプシンなどの微生物ロドプシンに加え、ヘリオロドプシンや動物ロドプシンの一種であるクモロドプシン、RGR (retinal G protein-coupled receptor)についても、機能発現や波長制御、結晶構造などに関する知見を数多く得ている。これらのことから、本年度終了時において当初の計画以上に研究の進展が見られたと結論した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度および続く令和５年度の研究により、細菌由来のロドプシンのうち20-30%もの分子が既知の4-keto型のものに加えて、3-OH型のカロテノイドを結合することが明らかとなったが、細菌由来の種が持つロドプシンについては明らかでない。そこで、今後は細菌以外の生物種が持つロドプシンについてもカロテノイド結合の有無や、結合するカロテノイドの種類、結合したカロテノイドの生理的役割などについて調べていく。また今年度までに調べられていないロドプシンのサブファミリーについても、機能や光反応特性などについてさらなる研究を行っていく。
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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] Twisting and Protonation of Retinal Chromophore Regulates Channel Gating of Channelrhodopsin C1C22023
Author(s)
Keisei Shibata, Kazumasa Oda, Tomohiro Nishizawa, Yuji Hazama, Ryohei Ono, Shunki Takaramoto, Reza Bagherzadeh, Hiromu Yawo, Osamu Nureki, Keiichi Inoue, Hidefumi Akiyama
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Journal Title
Journal of the American Chemical Society
Volume: 145
Pages: 10779-10789
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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