光で人工的細胞内情報伝達系を制御するシステムの構築

• Project Area: Development of Molecular Robots equipped with sensors and intelligence
• Project/Area Number: 15H00812
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 山下 高廣 京都大学, 理学研究科, 助教 (50378535)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2016: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2015: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 光受容蛋白質 / シグナル伝達

Outline of Annual Research Achievements

光は、その直進性・高速性・非侵襲性から生体反応の人為的な制御に使用される。そのため、生体における光受容システムの改変は、人工的な分子システムを制御する「入力系」に利用できる可能性がある。動物のロドプシン類は光刺激でＧタンパク質などを活性化するため、それを改変することで種々の細胞内シグナリングを制御できることが期待される。そこで本研究では、光や熱に安定な全トランス型レチナールを結合できる動物型ロドプシン類などのレチナールタンパク質を改変して、人工的な分子システムを制御する分子ツールを提供することを目的とする。本年度は以下の解析を行った。
１．Opn5L1は、動物型ロドプシン類の中で初めてフォトサイクルによって活性が制御されることが明らかとなり、繰り返しの光刺激に対応できる可能性がある。そこで、Opn5L1に変異を導入するなどにより、フォトサイクルの時定数を変化させた。その結果、秒オーダーの時定数のものから時間オーダーの時定数のものまで作製することに成功した。
２．全トランス型レチナールを結合するOpn5について、吸収波長特性を変化させた。そのために、種々のレチナールのアナログを取り込ませたところ、大きく長波長にシフトさせることに成功した。また、このレチナールアナログを取り込んだOpn5が通常のレチナールを取り込んだ場合と同様の光反応を行うことも確認できた。
３．フォトサイクルにより活性が制御されるOpn5L1分子を用いて、培養細胞内の分子システムを光で制御できるか検討した。その結果、光依存的にcAMP量の変化を誘起することが可能であることがわかった。

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] Spontaneous activation of visual pigments in relation to openness/closedness of chromophore-binding pocket. (2017)
  • Author(s): W.W. Yue
  • Journal Title: Elife Volume: 6
  • DOI: 10.7554/elife.18492
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Alternative Formation of Red-Shifted Channelrhodopsins: Noncovalent Incorporation with Retinal-Based Enamine-Type Schiff Bases and Mutated Channelopsin (2017)
  • Author(s): T. Okitsu
  • Journal Title: Chemical and Pharmaceutical Bulletin Volume: 65 Issue: 4 Pages: 356-358
  • DOI: 10.1248/cpb.c17-00054
  • NAID: 130005529782
  • ISSN: 0009-2363, 1347-5223
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Adaptation of cone pigments found in green rods for scotopic vision through a single amino acid mutation (2017)
  • Author(s): K. Kojima
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: in press
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Evolutionary Steps Involving Counterion Displacement in a Tunicate Opsin (2017)
  • Author(s): K. Kojima
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: in press
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Two UV-Sensitive Photoreceptor Proteins, Opn5m and Opn5m2 in Ray-Finned Fish with Distinct Molecular Properties and Broad Distribution in the Retina and Brain. (2016)
  • Author(s): K. Sato
  • Journal Title: PLoS One Volume: 11 Issue: 5 Pages: e0155339-e0155339
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0155339
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Two Opsin 3-Related Proteins in the Chicken Retina and Brain: A TMT-Type Opsin 3 Is a Blue-Light Sensor in Retinal Horizontal Cells, Hypothalamus, and Cerebellum. (2016)
  • Author(s): M. Kato
  • Journal Title: PLoS One Volume: 11 Issue: 11 Pages: 1-23
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0163925
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Diversity of active states in TMT opsins (2015)
  • Author(s): K. Sakai
  • Journal Title: PLoS One Volume: 10 Issue: 10 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0141238
  • Peer Reviewed / Open Access / 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] Diversity of the photoreceptor protein Opn5 found in deuterostomes (2016)
  • Author(s): T. Yamashita
  • Organizer: 日本生物物理学会第54回年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] Analysis of the photoreceptor protein Opn5 found in deuterostomes other than vertebrates (2016)
  • Author(s): T. Yamashita
  • Organizer: 日本動物学会第87回大会
  • Place of Presentation: 沖縄コンベンションセンター
  • Year and Date: 2016-11-17
• [Presentation] Characterization of visible light-sensitive subtype of non-visual opsin, Opn5 (2016)
  • Author(s): T. Yamashita
  • Organizer: 17th International Conference on Retinal Proteins
  • Place of Presentation: ポツダム（ドイツ）
  • Year and Date: 2016-10-05
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Molecular Properties of a Universal UV-light Sensitive Opsin in Vertebrates (2016)
  • Author(s): T. Yamashita
  • Organizer: Gordon Research Conferences
  • Place of Presentation: ガルベストン（アメリカ）
  • Year and Date: 2016-01-25
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 哺乳類光受容タンパク質Opn5の分子特性と発現部位の解析 (2015)
  • Author(s): 山下高廣
  • Organizer: 日本動物学会第86回大会
  • Place of Presentation: 新潟朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2015-09-17
• [Presentation] Evolution of mammalian Opn5 as a specialized UV-absorbing pigment by a single amino acid mutation (2015)
  • Author(s): T. Yamashita
  • Organizer: FASEB meeting
  • Place of Presentation: ビッグスカイ（アメリカ）
  • Year and Date: 2015-06-17
  • Int'l Joint Research