The study on the transport mechanism of light-driven inward proton pump and its application to optogenetics
| Project/Area Number |
17H03007
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Research Field |
Physical chemistry
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| Research Institution | The University of Tokyo (2018-2020)
Nagoya Institute of Technology (2017) |
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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) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥18,980,000 (Direct Cost: ¥14,600,000、Indirect Cost: ¥4,380,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2018: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2017: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000)
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| Keywords | ロドプシン / 内向きプロトンポンプ / オプトジェネティクス / レーザー分光 / レチナール / プロトンポンプ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成30年度は引き続き本研究の主な研究対象である、光駆動内向きH+ポンプ（PoXeR）を中心とした各種微生物型ロドプシン分子について、機能解析や分光測定などを行い、分子機能や機能発現メカニズムについて数多くの知見を得ることに成功し、その成果を主に10報の論文と10件の招待講演として発表した。
中でも本年度新たに、既存のロドプシンファミリーと独立した、ヘリオロドプシン（HeR）ファミリーの存在を国際共同研究を通じて明らかにし、またその分子物性や光反応を調べた。その結果HeRは他のロドプシンと独立しているだけではなく、細胞膜中での分子配向が逆転しているという極めて新奇な知見を得、これらの成果についてNature誌に報告を行い、さらに中日新聞において新聞報道がなされた。また広範な微生物型ロドプシンについて、多量体構造を高速原子間力顕微鏡および円二色性分光法を用いて調べたところ、進化的に三量体型と五量体型のロドプシンに分岐し、それぞれのファミリーで多様な機能を持つ分子が生じていることが明らかとされ、その成果についてSci. Rep.誌に報告を行った。さらに本年度より新たに長波長光で駆動可能なオプトジェネティクスツールの開発に向け、機械学習法による、アミノ酸配列からロドプシンの吸収波長を予測する技術の開発に取り組んだ。この結果±7.8 nmの精度で、配列情報のみからロドプシンの吸収波長を予測できることが示され、本成果についてもSci. Rep.誌に論文として報告を行った。
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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
本研究の主たる研究対象である内向きH+ポンプ型ロドプシン（PoXeR)については、これまでの研究により、他のロドプシンより少ない数のH+化レチナールSchiff塩基のカウンターイオンや細胞質側に特徴的に保存された酸性アミノ酸へのH+移動、13-cis-15-anti型から13-cis-15-syn型もしくはall-trans-15-anti型への熱的な異性化に伴う細胞外側からのダイレクトなH+受容などによって、効率的な内向きH+輸送が達成されていることが明らかとなり、ほぼそのメカニズムについて完全に解明することに成功していることから、本研究課題において当初の計画以上の進展があるといえる。
また本年度は既存の微生物型および動物型のいずれのロドプシンとも異なる、第３のロドプシンファミリーであるヘリオロドプシン（HeR）を、新たにイスラエル工科大学Oded Beja教授のグループと共に発見した。このHeRについてはいまだ光によってどのような生理機能が発現するのかについては明らかとなっていないが、詳細な分子物性および光反応サイクルの解析により、既存の全てのロドプシンと比べて、細胞膜中での膜配向が逆転しているという、極めて新しい特徴を持つことが明らかとされた。その他、細菌や古細菌の持つ微生物型ロドプシンの大部分が三量体および五量体構造を持ち、さらにそれぞれのグループの中で多様な機能を持つ分子が進化したことが高速原子間力顕微鏡と円二色性分光法によって明らかにされた。
またおよそ900種類のロドプシンのアミノ酸配列と吸収波長の実験結果に対して機械学習法を適用することで、配列情報のみから±7.8 nmの精度で吸収波長の予測が可能である事を示した。この機械学習法を用いた波長予測法については、今後自然界における波長未知のロドプシンから、よりオプトジェネティクスなどの応用に適した分子の探索に用いられることが期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究によりPoXeRについて、その内向きプロトンポンプ機能を達成するメカニズムの主な部分に関しては、ほぼ完全に明らかにすることに成功した。従って今後はさらに他の内向きプロトンポンプ型ロドプシンについても輸送過程の研究を行い、PoXeRとの共通点や相違点について明らかにすることで、より本質的なメカニズムの理解に取り組む。
一方で本年度新たに発見したHeRについては、その分子機能や構造について不明な点が数多くあることから、次年度以降さらなる研究を行っていく。さらにこれまでHeRは主に細菌由来のものに対して研究を行っていたことから、次年度以降は古細菌や真核生物、ウイルスなどの持つHeRについても調べ、機能や光反応の多様性について明らかにする。また最近進化的にHeRと既存の微生物型ロドプシンとの間に位置する新たなファミリーの存在が見出されたことから、今後これらについても分子機能解析を実施する。
その一方で今年度新たに開発を行った機械学習法による波長予測法を応用することで、今後はより多様な吸収波長を持つロドプシンの探索を行う。特にオプトジェネティクスにおいては、長波長光を用いることで、脳組織による光の散乱や光による細胞毒性などの影響を受けずに、神経操作が可能になることから、より長波長域に吸収を持つロドプシンを探索することで、従来のものより応用に敵した分子の発見が期待される。またそれと並行してアミノ酸変異によってレチナールの電子状態を変化させることで、吸収波長の人工的な長波長化を試みる。これら自然界での新奇分子探索と人工的なアミノ酸改変を組み合わせることで、これまでになく長波長に吸収を持った、極めて高機能なオプトジェネティクスツールの実現が期待される。
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Report
(2 results)
Research Products
(84 results)
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[Journal Article] Structural mechanisms of selectivity and gating in anion channelrhodopsins2018
Author(s)
Kato Hideaki E.、Kim Yoon Seok、Paggi Joseph M.、Evans Kathryn E.、Allen William E.、Richardson Claire、Inoue Keiichi、Ito Shota、Ramakrishnan Charu、Fenno Lief E.、Yamashita Keitaro、Hilger Daniel、Lee Soo Yeun、Berndt Andre、Shen Kang、Kandori Hideki、Dror Ron O.、Kobilka Brian K.、Deisseroth Karl
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Journal Title
Nature
Volume: 561
Pages: 349-354
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] A distinct abundant group of microbial rhodopsins discovered using functional metagenomics2018
Author(s)
A.Pushkarev, K. Inoue, S. Larom, J. Flores-Uribe, M. Singh, M. Konno, S. Tomida, S. Ito, R. Nakamura, S. P. Tsunoda, A. Philosof, I. Sharon, N. Yutin, E. V. Koonin, H. Kandori, O. Béjà
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Journal Title
Nature
Volume: 558
Pages: 595-599
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Study on a New Distinct Family of Rhodopsin, Heliorhodopsin2018
Author(s)
Keiichi Inoue, Alina Pushkarev, Manish Singh, Masae Konno, Sahoko Tomida, Shota Ito, Ryoko Nakamura, Satoshi P. Tsunoda, Oded Beja, Hideki Kandori
Organizer
10th Optogenetics Research Conference
Related Report
Int'l Joint Research
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