光感受性タンパク質の多様な光反応機構解明

• 研究領域: 高速分子動画法によるタンパク質非平衡状態構造解析と分子制御への応用
• 研究課題/領域番号: 19H05779
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 横浜市立大学
• 研究代表者: 朴 三用 横浜市立大学, 生命医科学研究科, 教授 (20291932)
• 研究分担者: 梅名 泰史 名古屋大学, シンクロトロン光研究センター, 准教授 (10468267) ; 別所 義隆 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 客員研究員 (70242815)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 106,470千円 (直接経費: 81,900千円、間接経費: 24,570千円); 2023年度: 15,860千円 (直接経費: 12,200千円、間接経費: 3,660千円); 2022年度: 15,860千円 (直接経費: 12,200千円、間接経費: 3,660千円); 2021年度: 15,860千円 (直接経費: 12,200千円、間接経費: 3,660千円); 2020年度: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円); 2019年度: 42,120千円 (直接経費: 32,400千円、間接経費: 9,720千円)
• キーワード: cGMP光産生酵素 / 光反応酵素 / X線自由電子レーザー / 光感受性タンパク質 / 時分割解析

研究開始時の研究の概要

光によって感応・応答するタンパク質には、動物や植物などに広く分布する発色団を含み、生命維持に関与するなど重要な役割を果たすものが知られる。近年では、こうした光感受性タンパク質を利用して、細胞などの光操作する技術に応用され（光遺伝学）、これまでに多くの生理現象の解明に利用されてきた。本研究計画では、疾病治療への利用が期待されている、またはツールとしての重要性が高いとされる光感受性タンパク質について、XFELを用いた高速分子動画実験を行うことで、タンパク質内部で起こる光エネルギー移動や高速な構造変化について明らかにする。

研究実績の概要

光感受性アデニル酸シクラーゼ（OaPAC）については単結晶から得られた静的な構造がすでに明らかであったので、まずこの結晶化条件を微小結晶調製用に改良することを試みた。その結果、暗状態でのタンパク質の発現や精製を行うことで、改善を行いことができまた。また、回折能がある結晶化どうかは見た目では判断できないため、単結晶のX線結晶構造解析で用いる大きさの結晶の回折能チェックを実験室系X線回折装置で実施し、それを微小結晶調製にフィードバックすることで品質管理を随時行いながら微小結晶の大量調製方法の検討を行なった。
さらに、XFELを使用して、微結晶から2.4 Aの高解像度構造データを取得した。Swiss Light SourceでのAcoustic Levitation Diffractometer（ALD）を用いた常温でのX線回折実験では、超音波領域内に浮揚したフィルム上の結晶に対してX線を照射し、様々な方位からの反射点を収集することで、励起光照射から14秒後まで2秒ごとの時分割でのデータ収集を行い、2.2-2.4 Aの分解能で明らかにした。また、PF（Photon Factory）でのクライオ条件下での構造解析では、室温にて青色LEDで照射後、瞬時にクライオ吹付装置で凍らせる方法を用いて照射後3~15秒の状態の結晶構造を1.7 -1.9 Aの分解能で明らかにし、BLUFドメイン内のFlavinと近傍残基Gln48が近づく動きを観測し、その動きが3秒後にはGln48の動きが完了していることを示した。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Structural basis of CXC chemokine receptor 1 ligand binding and activation (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishimoto Naito、Park Jae-Hyun、Kawakami Kouki、Tajiri Michiko、Mizutani Kenji、Akashi Satoko、Tame Jeremy R. H.、Inoue Asuka、Park Sam-Yong
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 4107-4107
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39799-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural basis for ligand recognition and signaling of hydroxy-carboxylic acid receptor 2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Park Jae-Hyun、Kawakami Kouki、Ishimoto Naito、Ikuta Tatsuya、Ohki Mio、Ekimoto Toru、Ikeguchi Mitsunori、Lee Dong-Sun、Lee Young-Ho、Tame Jeremy R. H.、Inoue Asuka、Park Sam-Yong
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1 ページ: 7150-7150
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42764-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure of the human galanin receptor 2 bound to galanin and Gq reveals the basis of ligand specificity and how binding affects the G-protein interface (2022)
  • 著者名/発表者名: Heo Yunseok、Ishimoto Naito、Jeon Ye-Eun、Yun Ji-Hye、Ohki Mio、Anraku Yuki、Sasaki Mina、Kita Shunsuke、Fukuhara Hideo、Ikuta Tatsuya、Kawakami Kouki、Inoue Asuka、Maenaka Katsumi、Tame Jeremy R. H.、Lee Weontae、Park Sam-Yong
  • 雑誌名: PLOS Biology 巻: 20 号: 8 ページ: e3001714-e3001714
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3001714
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural insights into the HBV receptor and bile acid transporter NTCP (2022)
  • 著者名/発表者名: Park JH, Iwamoto M, Yun JH, Uchikubo-Kamo T, Son D, Jin Z, Yoshida H, Ohki M, Ishimoto N, Mizutani K, Oshima M, Muramatsu M, Wakita T, Shirouzu M, Liu K, Uemura T, Nomura N, Iwata S, Watashi K, Tame JRH, Nishizawa T, Lee W, Park SY.
  • 雑誌名: Nature 巻: 606 号: 7916 ページ: 1027-1031
  • DOI: 10.1038/s41586-022-04857-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Leucine-sensing mechanism of leucyl-tRNA synthetase 1 for mTORC1 activation. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kim S, Yoon I, Son J, Park J, Kim K, Lee JH, Park SY, Kang BS, Han JM, Hwang KY, Kim S.
  • 雑誌名: Cell Rep. 巻: 35(4) 号: 4 ページ: 1-13
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109031
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Early-stage dynamics of chloride ion-pumping rhodopsin revealed by a femtosecond X-ray laser. (2021)
  • 著者名/発表者名: MS, Liang M, Sierra RG, Lane TJ, Zhou L, Weierstall U, Zatsepin NA, Ohki M, Tame JRH, Park SY, Spence JCH, Zhang W, Schmidt M, Lee W, Liu H.
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci U S A. 巻: 118(13) 号: 13 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1073/pnas.2020486118
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure- Based Functional Modification Study of a Cyanobacterial Chloride Pump for Transporting Multiple Anions. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yun JH, Park JH, Jin Z, Ohki M, Wang Y, Lupala CS, Liu H, Park SY*, Lee W*
  • 雑誌名: J Mol Biol 巻: 432 号: 19 ページ: 5273-5286
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2020.07.016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct observation of ligand migration within human hemoglobin at work (2020)
  • 著者名/発表者名: Shibayama Naoya、Sato-Tomita Ayana、Ohki Mio、Ichiyanagi Kouhei、Park Sam-Yong
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 117 号: 9 ページ: 4741-4748
  • DOI: 10.1073/pnas.1913663117
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pumping mechanism of NM-R3, a light-driven bacterial chloride importer in the rhodopsin family (2020)
  • 著者名/発表者名: Yun Ji-Hye、Ohki Mio、Park Jae-Hyun、Ishimoto Naito、Sato-Tomita Ayana、Lee Wonbin、Jin Zeyu、Tame Jeremy R. H.、Shibayama Naoya、Park Sam-Yong、Lee Weontae
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 6 号: 6 ページ: 6-6
  • DOI: 10.1126/sciadv.aay2042
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Non-cryogenic structure of a chloride pump provides crucial clues to temperature-dependent channel transport efficiency (2018)
  • 著者名/発表者名: Yun Ji-Hye、Li Xuanxuan、Park Jae-Hyun、Wang Yang、Ohki Mio、Jin Zeyu、Lee Wonbin、Park Sam-Yong、Hu Hao、Li Chufeng、Zatsepin Nadia、Hunter Mark S.、Sierra Raymond G.、Koralek Jake、Yoon Chun Hong、Cho Hyun-Soo、Weierstall Uwe、Tang Leihan、Liu Haiguang、Lee Weontae
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 294 号: 3 ページ: 794-804
  • DOI: 10.1074/jbc.ra118.004038
  • 査読あり
• [学会発表] 光活性化アデニル酸シクラーゼの構造生物学的考察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大木 規央、富田 文菜、松永 茂、伊関 峰生、テイム ジェレミー、柴山 修哉、朴 三用
  • 学会等名: 第４３回日本分子生物学会
  • 招待講演