2015 Fiscal Year Annual Research Report
ナトリウムポンプ型ロドプシンの輸送メカニズムの網羅的分光研究
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26708001
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
井上 圭一 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90467001)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ロドプシン / 分光法 / 海洋性細菌 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は本研究の主な研究対象である、光駆動Na+ポンプ（KR2）を中心とした各種ロドプシン分子について、機能解析や分光測定、結晶構造などを行い、その成果を７報の論文と２報の解説、１１件の招待講演などで発表した。特にKR2の結晶構造については変異体機能解析・分光測定、オプトジェネティクスへの応用、構造を基盤とした新規ツール開発などの結果と合わせることで、注目度の高い総合科学雑誌であるNature誌へ論文を発表した。その他、機能解析やCs+輸送型KR2などの成果をAngew. Chem.誌やJ. Phys. Chem. Lett.誌などの注目度の高い専門誌へと公表した。これらの成果についてはほぼ当初の目標として設定された項目を達成しており、今後膜タンパク質のイオン輸送メカニズム研究や、更なる光生体ツールの開発、Na+ポンプ型ロドプシンのオプトジェネティクスへの応用に向けて重要な基盤となる多くの知見を有するものである。
また本年度研究代表者の井上は、Na+ポンプ型ロドプシンのメカニズム研究について「第８回分子科学会奨励賞」および「日本化学会平成２７年度進歩賞」を受賞した。またNa+ポンプ型ロドプシンの結晶構造解析については新聞報道も成されており、これらは本研究で行ったNa+ポンプ型ロドプシンのメカニズム研究が、極めて高い注目度と評価を得ていることを示している。
残りの研究期間においては、これまでに得られたKR2の構造情報や反応素過程についての知見をもとに、高輸送能変異体作製などに取り組む。
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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
今年度は東大・濡木研究室との共同研究により明らかになった結晶構造に加え、変異体の機能解析・分光測定、K+輸送型KR2 (KR2K+)作製、マウス神経細胞や線虫への遺伝子導入によるオプトジェネティクス応用などの結果を網羅的に報告した論文をNature誌に発表した。これについてはわずか１年足らずの間に既に１３回の引用があり、我々の報告したKR2の構造が高い注目度を浴びていることが示されている。また更なる変異体の機能解析と過渡吸収測定によって、Na+ポンプ型ロドプシンで保存されているNDQモチーフの持つ役割を明らかにし、Angew. Chem.誌にその結果を報告した。これらの成果により、残り１年を残してKR2のNa+輸送メカニズムの主要な部分について、ほぼ完全な形で報告することができ、当初の計画以上の進展があったと言える。
さらに結晶構造解析により明らかになったKR2のイオン取込口について、１５種類の変異体を作製し、それぞれの機能解析を行うことで、最大のイオン半径を持つアルカリ金属である、Cs+の輸送が可能なロドプシン（KR2Cs+）の作製に成功した。この成果についてはJ. Phys. Chem. Lett.誌にその成果を報告し、今後はさらに輸送能の選択性と輸送効率を向上させることで、環境中からCs+を回収する、新規光生体ツールとなることが期待される。
以上の様に、メカニズム解明、オプトジェネティクスへの応用、新規ツール開発など、全ての面において大きな進展が見られ、最終年度においてはこれらの知見をもとに、さらなるメカニズム研究及び新規ツールの開発に取り組む。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度にあたる平成２８年度の研究の推進方策について、まずメカニズム研究においては、結晶構造解析により、Na+イオン透過の重要性が示唆されたAsn112残基について、より詳細なNa+輸送機能への関わりを調べる。このために異なるアミノ酸へと変異させた１９種類の変異体を作製し、その機能や光反応について、網羅的に調べる。
一方新規ツール開発については、これまでKR2K+やKR2Cs+の作製に注目していたイオン取込口以外の部位（膜貫通領域におけるイオン透過経路や昨年度の研究で明らかになったレチナールシッフ塩基近傍のイオン結合部位）について改変を行い、KR2のイオン輸送能をさらに向上させる。
またKR2以外のNa+ポンプ型ロドプシンについても、既に１０種類以上のタンパク質について遺伝子の入手を完了しており、これらについて大腸菌を用いた機能測定や、ホ乳類細胞中での電気生理学実験により、そのイオン輸送能の評価を行う。それによりより高い輸送能を示したものについては、積極的にオプトジェネティクスへの応用を進めていく。
これらの研究から得られる成果については主に国際誌への論文発表や、国内外の学会や研究会における発表を中心に公表し、特に極めて重要度の高い成果については新聞発表等を通じて広く一般にも公開する。また本年度は１０月に、ロドプシン関連分野において最大の国際会議であるレチナールタンパク質国際会議がドイツ･ポツダムで開催される。そこで本研究で得られた成果について、本会議において発表を行うことを予定している。
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Research Products
(61 results)
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[Journal Article] Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump2015
Author(s)
H. E. Kato, K. Inoue, R. Abe-Yoshizumi, Y. Kato, H. Ono, M. Konno, S. Hososhima, T. Ishizuka, M. R. Hoque, H. Kunitomo, J. Ito, S. Yoshizawa, K. Yamashita, M. Takemoto, T. Nishizawa, R. Taniguchi, K. Kogure, A. D. Maturana, Y. Iino, H. Yawo, R. Ishitani, H. Kandori*, O. Nureki*
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Journal Title
Nature
Volume: 521
Pages: 48-53
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] Mechanisms of two different function on KR22015
Author(s)
M. R. Hoque, S. Hososhima, K. Yoshida, T. Ishizuka, K. Inoue, H. Kandori, H. Yawo
Organizer
The 38th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
Place of Presentation
Kobe, Japan
Year and Date
2015-07-28 – 2015-07-31
Int'l Joint Research
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