Study on the physiological significance and the molecular mechanism of Na+-pumping rhodopsin

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26440042
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 菊川 峰志 北海道大学, 先端生命科学研究院, 講師 (20281842)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮内 正二 東邦大学, 薬学部, 教授 (30202352)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: ロドプシン / イオンポンプ / ナトリウムポンプ

Outline of Annual Research Achievements

ロドプシンは、光センサーや光駆動型イオンポンプとして機能する膜タンパク質である。イオンポンプ型ロドプシンは、「光で瞬間的に活性化できる」という性質によって、輸送に含まれる要素反応を詳細に検討できる優れたモデルタンパク質である。本研究では、2013年に真正細菌から見出されたNa+ポンプ型ロドプシン（NaR）の分子機構解明を目指してきた。成果の概要は以下の通りである。３と４が最終年度に得た成果である。
１．真正細菌 Truepera radiovictrixの持つ二つのNaR（TR1, TR2）の大腸菌発現系を構築した。低温下で長時間の発現誘導を行うことで、1 L培地あたり5 mgの収量を得るに至った。
２． NaCl, KCl, CholineCl中の光反応の比較から、NaRのタンパク質表面には、Na+, K+などのカチオン結合サイトが存在することが解った。ここへのカチオン結合が、暗状態の構造を変調し、その結果、光反応初期に出現する中間体を決定すると考えられた。
３．Na+とK+存在下のNaRの光反応サイクルは、いずれも、４つの速度論的に区別できる中間体を含んでいた。前半二つの中間体は、両者で酷似しているが、後半ではNa+の場合にのみ、長波長に吸収を持つO中間体が出現した。よって、O中間体生成時に、Na+のタンパク質内部への取り込みが起こり、次いで放出されると考えられた。
４．Na+選択膜を用いた測定により、NaRのNa+取込みと放出がO中間体の生成・崩壊に同期して起こることを、Na+の濃度変化として直接観測することに成功した。

Research Products

• [Journal Article] Photochemical characterization of actinorhodopsin and its functional existence in the natural host (2016)
  • Author(s): Nakamura, S., Kikukawa, T., Tamogami, J., Kamiya, M., Aizawa, T., Hahn, M., Ihara, K., Kamo, N., Demura, M.
  • Journal Title: BBA-BIOENERGETICS Volume: 1857 Pages: 1900-1908
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2016.09.006
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Photocycle of Mastigocladopsis repens halorhodopsin and the role of its TSD motif (2016)
  • Author(s): Hasemi, T., Kikukawa, T., Aizawa, T., Kamo, N., Demura, M.
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県・筑波）
  • Year and Date: 2016-11-27 – 2016-11-27
• [Presentation] Replacements of “donor” residues in the light- driven H+-pump rhodopsins (2016)
  • Author(s): Nishiya, K., Sasaki, S., Tamogami, J., Kikukawa, T., Aizawa, T., Kamo, N., Demura, M.
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県・筑波）
  • Year and Date: 2016-11-25 – 2016-11-25
• [Presentation] Light-induced conformational change of inward Cl- pump halorhodopsin (2016)
  • Author(s): Kikukawa, T., Kamo, N., Demura, M.
  • Organizer: 13th International Conference on Flow Dynamics
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県・仙台）
  • Year and Date: 2016-10-11 – 2016-10-11
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Solid-state NMR analysis of sodium ion pump rhodopsin and its Na+-binding (2016)
  • Author(s): Tamaki, H., Saito, Y., Egawa, A., Kikukawa, T., Fujiwara, T., Demura, M.
  • Organizer: 17th International Conference on Retinal Proteins
  • Place of Presentation: ポツダム（ドイツ）
  • Year and Date: 2016-10-03 – 2016-10-04
  • Int'l Joint Research