高効率・低ノイズな視細胞応答を実現する視物質の分子メカニズム

• Project/Area Number: 15J02054
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Animal physiology/Animal behavior
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 小島 慧一 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥2,630,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 視物質 / 視覚 / 分子進化 / レチナールタンパク質 / 光受容タンパク質 / Gタンパク質

Outline of Annual Research Achievements

多くの脊椎動物の網膜には２種類の視細胞、桿体視細胞と錐体視細胞が存在するが、暗所視を担う桿体視細胞は錐体視細胞と比べて極めて高い光感度を示す。そこで本研究では、桿体視細胞に発現する視物質(ロドプシン、一部の錐体視物質)が分子進化の過程でどのようなアミノ酸残基の置換を経て、暗所視に必須な分子特性(低い熱活性化頻度)を獲得したのかを明らかにすることを目指した。
昨年度までに、ロドプシンは、錐体視物質からの分子進化の過程で、E112とI189を獲得することで、低い熱活性化頻度を獲得したこと、また桿体視細胞に発現するカエル青錐体視物質や夜行性ヤモリ緑錐体視物質では、ロドプシンと同様に低い熱活性化頻度を示すことを確認していた。本年度では、最初に桿体視細胞に発現する夜行性ヤモリUV錐体視物質の熱活性化頻度を測定し、トカゲや昼行性ヤモリUV錐体視物質と比較した。その結果、夜行性ヤモリのUV錐体視物質のみが低い熱活性化頻度を示した。
次に、カエル青錐体視物質、夜行性ヤモリ緑・UV錐体視物質の低い熱活性化頻度をもたらすアミノ酸残基の特定を行った。様々な動物種の青・緑・UV錐体視物質のアミノ酸配列を比較し、カエル青錐体視物質、夜行性ヤモリ緑錐体視物質、夜行性ヤモリUV錐体視物質、それぞれでのみ保存されているアミノ酸残基に対して変異体解析を行った。その結果、カエル青錐体視物質ではT47、夜行性ヤモリ緑錐体視物質ではT213、夜行性ヤモリUV錐体視物質ではY89とY172が低い熱活性化頻度に貢献していることが明らかとなった。
また、測定したすべての野生型視物質およびその変異体の活性状態の安定性を測定した。その結果、発色団の熱異性化頻度と活性状態の安定性の間には強い相関があることが分かった。このことから、発色団の熱異性化頻度は、視物質の発色団周辺の構造揺らぎを反映していると考えられた。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Adaptation of cone pigments found in green rods for scotopic vision through a single amino acid mutation (2017)
  • Author(s): Keiichi Kojima, Yuki Matsutani, Takahiro Yamashita, Masataka Yanagawa, Yasushi Imamoto, Yumiko Yamano, Akimori Wada, Osamu Hisatomi, Kanto Nishikawa, Keisuke Sakurai, Yoshinori Shichida
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Evolutionary Steps Involving Counterion Displacement in a Tunicate Opsin (2017)
  • Author(s): Keiichi Kojima, Takahiro Yamashita, Yasushi Imamoto, Takehiro G. Kusakabe, Motoyuki Tsuda, Yoshinori Shichida
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Origin of the low thermal isomerization rate of rhodopsin chromophore (2015)
  • Author(s): Yanagawa, M.; Kojima, K.; Yamashita, T.; Iwamoto, Y.; Matsuyama, T.; Nakanishi, K.; Yamano, Y.; Wada, A.; Sako, Y.; Shichida, Y.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 5 Issue: 1 Pages: 11081-11081
  • DOI: 10.1038/srep11081
  • NAID: 120005690204
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 桿体視細胞に発現する視物質の熱活性化頻度 (2016)
  • Author(s): Kojima K, Matsutani Y, Yanagawa M, Yamashita T, Imamoto Y, Hisatomi O, Yamano Y, Wada A, Sako Y, Shichida Y.
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] 桿体アレスチンのスプライスバリアント・p44の自己会合の解析 (2016)
  • Author(s): Imamoto Y, Kojima K, Oka T, Yamashita T, Shichida Y.
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] Optimization mechanism of vertebrate visual pigments for photic environment (2016)
  • Author(s): Matsutani Y, Kojima K, Yanagawa M, Yamashita T, Imamoto Y, Hisatomi O, Yamano Y, Wada A, Sako Y, Shichida Y.
  • Organizer: 第87回日本動物学会年会
  • Place of Presentation: 沖縄
  • Year and Date: 2016-11-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comparative analysis of thermal activation rate in vertebrate cone visual pigments (2016)
  • Author(s): Kojima K, Yanagawa M, Matsutani Y, Yamashita T, Imamoto Y Yamano Y, Wada A, Sako Y, Shichida Y.
  • Organizer: 第87回日本動物学会年会
  • Place of Presentation: 沖縄
  • Year and Date: 2016-11-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal isomerization rate of retinal chromophore in blue-sensitive cone pigments expressed in amphibian green rods (2016)
  • Author(s): Kojima K, Matsutani Y, Yamashita T, Yanagawa M, Imamoto Y, Hisatomi O, Yamano Y, Wada A, Sako Y, Shichida Y.
  • Organizer: EMBO Conference International Conference on Retina Proteins
  • Place of Presentation: ドイツ・ポツダム
  • Year and Date: 2016-10-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] X線小角散乱を用いた視細胞情報変換過程の解析 (2016)
  • Author(s): 今元泰、小島慧一、岡俊彦、前田亮、七田芳則
  • Organizer: 第19回日本光生物学協会年会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2016-07-28
• [Presentation] 錐体視細胞の暗環境適応 (2016)
  • Author(s): 松谷優樹、小島慧一、柳川正隆、山下高廣、今元泰、久冨修、山野由美子、和田昭盛、七田芳則
  • Organizer: 第19回日本光生物学協会年会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2016-07-28
• [Presentation] ホヤオプシン1(Ci-opsin1)の分子特性の解析 (2015)
  • Author(s): 小島慧一、山下高廣、今元泰、日下部岳広、津田基之、七田芳則
  • Organizer: 第86回日本動物学会年会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
  • Year and Date: 2015-09-17
• [Presentation] 両生類の緑桿体に含まれる青色錐体視物質の熱活性化頻度 (2015)
  • Author(s): 松谷優樹、小島慧一、柳川正隆、山下高廣、今元泰、山野由美子、和田昭盛、七田芳則
  • Organizer: 第86回日本動物学会年会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
  • Year and Date: 2015-09-17
• [Presentation] 視物質の低い熱活性化頻度をもたらす分子メカニズム (2015)
  • Author(s): 小島慧一, 柳川 正隆, 山下 高廣, 松谷 優樹, 今元 泰, 松山 オジョス武, 中西 香爾, 山野 由美子, 和田 昭盛, 佐甲 靖志, 七田 芳則
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学(石川県金沢市)
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] 小角X 線溶液散乱によるアレスチンとロドプシンの相互作用の解析 (2015)
  • Author(s): Imamoto Y, Kojima K, Oka T, Maeda R, Shichida Y.
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学(石川県金沢市)
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] ロドプシンの低い熱活性化頻度をもたらす分子メカニズム (2015)
  • Author(s): 小島慧一
  • Organizer: 第55回生物物理若手の会夏の学校
  • Place of Presentation: 琵琶湖白浜荘(滋賀県高島市)
  • Year and Date: 2015-08-21
• [Presentation] Origin of the low thermal isomerization rate of rhodopsin chromophore (2015)
  • Author(s): Kojima K, Yanagawa M, Yamashita T, Imamoto Y, Matsuyama T, Nakanishi K, Yamano Y, Wada A, Sako Y, Shichida Y
  • Organizer: FASEB Science Research Conference; The biology and chemistry of vision
  • Place of Presentation: Big Sky, Montana (アメリカ国)
  • Year and Date: 2015-06-14
  • Int'l Joint Research