赤外分光を用いた酵素型ロドプシンの光反応ダイナミクス解明

• Project/Area Number: 22KJ1620
• Project/Area Number (Other): 21J22970 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 43040:Biophysics-related
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 杉浦 雅大 名古屋工業大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2023: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: 酵素ロドプシン / 赤外分光 / 微生物ロドプシン / 異性化反応 / レチナール / ロドプシン / 酵素 / セカンドメッセンジャー

Outline of Research at the Start

酵素ロドプシンは、膜内ドメインと酵素ドメインが直接結合した光受容膜タンパク質であり、細胞内シグナル伝達物質（cAMP, cGMP）の産生／分解を光で制御できる。そのため、光で生体活動を制御する光遺伝学に応用可能なツールとして期待されている。
一方、発見から11年経った現在においても「膜内ドメインでの光受容情報がどのように酵素ドメインに伝わるのか？」といった分子基盤の理解は進んでいない。
本研究では、ミリÅオーダーの分子内構造情報をとらえられる赤外分光法を用いて2つのドメイン間で構造変化はいつ、どのように伝わるのか、酵素活性がどのように制御されているのかを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

ここ十数年における世界のロドプシン研究は、指数関数的な発展を見せており、最近では多数の酵素ロドプシン（光活性化酵素）が発見されている。我々はそれら酵素ロドプシンの作動メカニズムに迫るべく、大腸菌および哺乳類細胞のみならず、新たに昆虫細胞・酵母細胞を用いた試料調製を行うことでロドプシンの常識を覆す結果を得た。
①酵素ロドプシンは、光を感受する膜内ドメインと、触媒反応を担う酵素ドメインから構成されており、膜内ドメインが直接、酵素ドメインの反応を制御している点が他のロドプシンとは異なるため、その光活性化メカニズムが興味深い。そこで、分子振動変化を捉えることが可能な赤外分光法を用いて、光活性化グアニル酸シクラーゼ（Rh-GC）の光誘起されたタンパク質の変化を捉えた。現在データを追加して論文を作成中である。
②ロドプシンはレチナールという単一の発色団を持つにも関わらず、紫から赤色に至る広範な吸収波長多様性がある。これまでに、吸収波長を制御する3つのアミノ酸残基が知られていたが、昨年7月に酵素ロドプシンから発見された4つ目となる波長制御残基を同定し、米国化学会誌に報告した。
③微生物ロドプシンの持つレチナール（発色団）は全トランスから13シスへの光異性化が常識であったが、2020年に報告された新奇酵素ロドプシン（NeoR）の光反応を調べると、全トランスから7シスへの光異性化を示した。また、一般的な微生物ロドプシンは液体窒素温度において光反応を示すが、NeoR中では水が氷る温度において光反応を起こさないことを明らかにし、2022年10月に米国化学会に報告した。
上記3つのトピックに加え、ベストロドプシン（2022年に報告）やカリウム選択的チャネルロドプシン（2023年に報告）と呼ばれる新たな微生物ロドプシンの分子メカニズム解明にも取り組み、ロドプシン研究の発展にも貢献できたと考えている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Technion-Israel Institute of Technology/Weizmann Institute of Science(イスラエル)
• [Int'l Joint Research] Humboldt-Universitat zu Berlin(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] University of Guelph(カナダ)
• [Int'l Joint Research] Stanford University(米国)
• [Int'l Joint Research] Cambridge Biomedical Campus(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Guelph(カナダ)
• [Int'l Joint Research] Technion-Israel Institute of Technology/Weizmann Institute of Science(イスラエル)
• [Int'l Joint Research] Humboldt-Universitat zu Berlin(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Stanford University(米国)
• [Journal Article] A Novel Color Switch of Microbial Rhodopsin (2023)
  • Author(s): Sugiura Masahiro、Singh Manish、Tsunoda Satoshi P.、Kandori Hideki
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 62 Issue: 13 Pages: 2013-2020
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.3c00131
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural Basis for Color Tuning and Ion Selectivity in Potassium-Selective Channelrhodopsins (2023)
  • Author(s): S. Tajima, Y. S. Kim, M. Fukuda, Y.J. Jo, P. Y. Wang, J. M. Paggi, E. F.X. Byrne, K. E. Kishi, S. Nakamura, C. Ramakrishnan, S. Takaramoto, T. Nagata, M. Konno, M. Sugiura, K. Katayama, T. E. Matsui, K. Yamashita, S. Kim, H. Ikeda, M. Inoue, H. Kandori, R. O. Dror, K. Inoue, K. Deisseroth, H. E. Kato
  • Journal Title: Cell Volume: 186 Issue: 20 Pages: 4325-4344.e26
  • DOI: 10.1016/j.cell.2023.08.009
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unusual Photoisomerization Pathway in a Near-Infrared Light Absorbing Enzymerhodopsin (2022)
  • Author(s): Sugiura Masahiro、Ishikawa Kazuki、Katayama Kota、Sumii Yuji、Abe-Yoshizumi Rei、Tsunoda Satoshi P.、Furutani Yuji、Shibata Norio、Brown Leonid S.、Kandori Hideki
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 13 Issue: 40 Pages: 9539-9543
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.2c02334
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rhodopsin-bestrophin fusion proteins from unicellular algae form gigantic pentameric ion channels (2022)
  • Author(s): Rozenberg A,Kaczmarczyk I,Matzov D,Vierock J,Nagata T,Sugiura M,Katayama K,Kawasaki Y,Konno M,Nagasaka Y,Aoyama M,Das I,Pahima E,Church J,Adam S,Borin VA,Chazan A,Augustin S,Wietek J,Dine J,Peleg Y,Kawanabe A,Fujiwara Y,Yizhar O,Sheves M,Schapiro I,Furutani Y,Kandori H,Inoue K,Hegemann P,Beja O,Shalev-Benami M.
  • Journal Title: Nature Structural & Molecular Biology Volume: 29 Issue: 6 Pages: 592-603
  • DOI: 10.1038/s41594-022-00783-x
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural basis for ion selectivity in potassium-selective channelrhodopsins (2022)
  • Author(s): Tajima Seiya、Kim Yoon Seok、Fukuda Masahiro、Byrne Eamon F.X.、Wang Peter Y.、Paggi Joseph M.、Kishi Koichiro E.、Ramakrishnan Charu、Takaramoto Syunki、Nagata Takashi、Konno Masae、Sugiura Masahiro、他10名
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2022.10.30.514430
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecular Properties and Optogenetic Applications of Enzymerhodopsins (2021)
  • Author(s): Tsunoda Satoshi P.、Sugiura Masahiro、Kandori Hideki
  • Journal Title: Adv. Exp. Med. Biol. Volume: 1293 Pages: 153-165
  • DOI: 10.1007/978-981-15-8763-4_9
  • ISBN: 9789811587627, 9789811587634
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Unusual photochemical properties of near-infrared light-absorbing enzymerhodopsins (NeoRs) (2023)
  • Author(s): 17.Masahiro Sugiura, Kazuki Ishikawa, Kota Katayama, Yuji Sumii, Ritsu Mizutori, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi Tsunoda, Yuji Furutani, Norio Shibata, Leonid S. Brown, Hideki Kandori
  • Organizer: 第23回日本蛋白質科学年会
• [Presentation] 新奇酵素ロドプシンの光反応メカニズムと応用 (2023)
  • Author(s): 杉浦雅大
  • Organizer: 生命情報科学若手の会 第8回セミナー
  • Invited
• [Presentation] 近赤外光吸収酵素ロドプシンの特異な光化学特性 (2023)
  • Author(s): 杉浦雅大, 水鳥律, 石川和季, 片山耕大, 住井裕司, 吉住玲, 角田聡, 古谷祐詞, 柴田哲男, Leonid S. Brown, 神取秀樹
  • Organizer: 第3回 高速分子動画 若手オンラインセミナー
  • Invited
• [Presentation] 新奇微生物ロドプシンの光反応メカニズム解明 (2023)
  • Author(s): 杉浦雅大, 水鳥律, 石川和季, 片山耕大, 住井裕司, 吉住玲, 角田聡, 古谷祐詞, 柴田哲男, Leonid S. Brown, 神取秀樹
  • Organizer: 【CRESTオプトバイオ】光の特性を活用した生命機能の時空間制御技術の開発と応用 第8回領域会議
• [Presentation] 近赤外光吸収酵素ロドプシンが示す特異な光化学反応 (2023)
  • Author(s): Masahiro Sugiura, Ritsu Mizutori, Kazuki Ishikawa, Kota Katayama, Yuji Sumii, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi Tsunoda, Yuji Furutani, Norio Shibata, Leonid S. Brown, Hideki Kandori
  • Organizer: 第63回 生物物理若手の会夏の学校 ~生物物理の新展開~
• [Presentation] 微生物ロドプシンの新奇波長制御残基 (2023)
  • Author(s): 杉浦雅大, Manish Singh, 角田聡, 神取秀樹
  • Organizer: 第17回分子科学討論会2023
• [Presentation] Unique photochemical properties of near-infrared light absorbing rhodopsins (NeoRs) (2023)
  • Author(s): Masahiro Sugiura, Ritsu Mizutori, Kazuki Ishikawa, Kota Katayama, Yuji Sumii, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi Tsunoda, Yuji Furutani, Norio Shibata, Leonid S. Brown, Hideki Kandori
  • Organizer: Structure, Function and Dynamics (SFD) International Conference 2023
• [Presentation] Unique photochemical reactions in near-infrared light absorbing rhodopsins (2023)
  • Author(s): Masahiro Sugiura, Ritsu Mizutori, Kazuki Ishikawa, Kota Katayama, Yuji Sumii, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi Tsunoda, Yuji Furutani, Norio Shibata, Leonid S. Brown, Hideki Kandori
  • Organizer: The 61th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
• [Presentation] 特異な光化学特性を示す近赤外光吸収酵素ロドプシン (2023)
  • Author(s): 杉浦雅大, 石川和季, 片山耕大, 住井裕司, 水鳥律, 吉住玲, 角田聡, 古谷祐詞, 柴田哲男, Leonid S. Brown, 神取秀樹
  • Organizer: 日本生物物理学会中部支部 令和4年度中部支部講演会
• [Presentation] Unique photochemical properties of novel enzyme rhodopsin (NeoR) (2022)
  • Author(s): Masahiro Sugiura, Kota Katayama, Leonid S. Brown, Satoshi P. Tsunoda, Hideki Kandori
  • Organizer: The 60th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characteristic photochemical properties of near-infrared light-absorbing enzymerhodopsin (NeoR) (2022)
  • Author(s): Masahiro Sugiura, Kazuki. Ishikawa, Kota Katayama, Yuji Sumii, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi P. Tsunoda, Yuji Furutani, Norio Shibata, Leonid S. Brown, Hideki Kandori
  • Organizer: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel photoisomerization reaction in near-infrared light absorbing enzymerhodopsins (2022)
  • Author(s): Masahiro Sugiura, Kazuki. Ishikawa, Kota Katayama, Yuji Sumii, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi P. Tsunoda, Yuji Furutani, Norio Shibata, Leonid S. Brown, Hideki Kandori
  • Organizer: Quantum Innovation 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 酵素ロドプシンより発見された新規波長制御残基と応用 (2022)
  • Author(s): 杉浦雅大, Manish Singh, 角田聡, 神取秀樹
  • Organizer: 第62回 生物物理若手の会 夏の学校
• [Presentation] 時間分解赤外分光法を用いた新奇微生物ロドプシン（ベストロドプシン）の光反応ダイナミクス (2022)
  • Author(s): 杉浦雅大，片山耕大，青山真子，Andrey Rozenberg，Igor Kaczmarczyk，Donna Matzov，永田崇，Moran Shalev-Benami，Oded Beja，井上圭一，神取秀樹，古谷祐詞
  • Organizer: The 16th Annual Meeting of the Japan Society for Molecular Science
• [Presentation] 近赤外光吸収酵素ロドプシン（NeoR）の特異な光異性化反応 (2022)
  • Author(s): 杉浦雅大, 石川和季, 片山耕大, 住井裕司, 吉住玲, 角田聡, 古谷祐詞, 柴田哲男, Leonid S. Brown, 神取秀樹
  • Organizer: 令和４年度新学術領域研究「高速分子動画」シンポジウム・領域会議
• [Presentation] 酵素ロドプシン(Rh-PDE)より発見された新規波長制御残基と応用 (2022)
  • Author(s): 杉浦雅大、Manish Singh、 角田聡、神取秀樹
  • Organizer: 日本生物物理学会中部支部 令和3年度中部支部講演会
• [Presentation] Molecular properties of novel Rh-PDEs (2021)
  • Author(s): Masahiro Sugiura, Satoshi P. Tsunoda, Masahiko Hibi, Hideki Kandori
  • Organizer: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photoreaction Dynamics of Rhodopsin Guanylate Cyclase (Rh-GC) (2021)
  • Author(s): Masahiro Sugiura, Satoshi Tsunoda, Haon Futamata, Wataru Shihoya, Osamu Nureki, Hideki Kandori, Yuji Furutani
  • Organizer: The 59th annual meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 時間分解赤外分光法を用いたロドプシングアニル酸シクラーゼ反応ダイナミクス解析 (2021)
  • Author(s): Masahiro Sugiura, Satoshi Tsunoda, Haon Futamata, Wataru Shihoya, Osamu Nureki, Hideki Kandori, Yuji Furutani
  • Organizer: 令和三年度 新学術領域研究「高速分子動画」シンポジウム
• [Presentation] Photoreaction dynamics of enzyme rhodopsin (Rh-GC) using time-resolved infrared spectroscopy (2021)
  • Author(s): Masahiro Sugiura, Satoshi Tsunoda, Haon Futamata, Wataru Shihoya, Osamu Nureki, Hideki Kandori, Yuji Furutani
  • Organizer: The 15th Annual Meeting of Japan Society for Molecular Science 2021
• [Presentation] ロドプシンホスホジエステラーゼ（Rh-PDEｓ）から発見された新規吸収波長制御残基 (2021)
  • Author(s): Masahiro Sugiura, Satoshi P. Tsunoda, Masahiko Hibi, Hideki Kandori
  • Organizer: 第61回生物物理若手の会 夏の学校 生物物理×◯◯ ~生命に迫る無限のアプローチ~
• [Presentation] Novel color turning residue discovered from enzyme rhodopsins (2021)
  • Author(s): Masahiro Sugiura, Satoshi P. Tsunoda, Masahiko Hibi, Hideki Kandori
  • Organizer: The 21st Annual Meeting of the Protein Science Society of Japan
• [Presentation] 酵素ロドプシン(Rh-PDE)より発見された新規波長制御残基 (2021)
  • Author(s): 杉浦雅大、角田聡、日比正彦、神取秀樹
  • Organizer: 第1回 蛋白質科学会 若手の会交流会
• [Book] Optogenetics Light-Sensing Proteins and Their Applications in Neuroscience and Beyond (2021)
  • Author(s): Hiromu Yawo, Hideki Kandori, Amane Koizumi, Ryoichiro Kageyama (Satoshi P. Tsunoda, Masahiro Sugiura, Hideki Kandori)
  • Total Pages: 663
  • Publisher: Springer Singapore
  • ISBN: 9789811587627
• [Remarks] 世界初 近赤外光を吸収する酵素ロドプシンにおける特異な光異性化経路を解明
  • URL: https://www.nitech.ac.jp/news/press/2022/9967.html
• [Remarks] ロドプシンの新たな波長制御残基の発見 ～波長制御メカニズムの解明と光遺伝学応用への期待～
  • URL: https://www.nitech.ac.jp/news/press/2023/10538.html
• [Remarks] 近赤外光吸収酵素ロドプシンであるNeoRの論文に関するプレスリリース
  • URL: https://www.nitech.ac.jp/news/press/2022/9967.html
• [Remarks] 2022年度 名古屋工業大学 学生研究奨励
  • URL: https://www.nitech.ac.jp/kikin/report/message/2022/s_kenkyu.html
• [Remarks] 第21回日本蛋白質科学会年会ポスター賞受賞報告
  • URL: https://www.nitech.ac.jp/campus/news/9111.html