X線結晶構造解析に基づく改変型チャネルロドプシンの創出

• 研究課題/領域番号: 11J06643
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 加藤 英明 東京大学, 大学院 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2013
• 研究課題ステータス: 完了 (2013年度)
• 配分額: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円); 2013年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2012年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
• キーワード: 構造生物学 / X線結晶構造解析 / チャネルロドプシン / ロドプシン / 光遺伝学 / 神経生物学 / 陽イオンチャネル / ナトリウムポンプ

研究概要

一昨年度に解明したチャネルロドプシンの閉状態における結晶構造を元に、「発色団であるレチナール分子のβイオノン環を回転させることでチャネルロドプシンの吸収波長を短波長側にシフトさせる」という新規設計法を提唱した。変異体を実際に作製し、その吸収・励起スペクトルの測定を行うことで設計通りの変異体を作製することに成功、この変異体を用いて実際に生きたマウスの神経細胞を興奮させることにも成功した。更に、この変異体の構造解析を行うことで実際にレチナール分子のβイオノン環が捻れていることを明らかにし、作製した変異体の波長シフトの原因が、理論通りレチナール分子の捻れによって引き起こされていることを証明した。更に、チャネルロドプシン以外の他のロドプシンについても同設計法が適用出来ることを実証し、本手法が広くロドプシンの波長シフト変異体を作製する際の普遍的な方法として利用可能であることを示した。現在これらの結果をまとめて投稿準備中である。また、チャネルロドプシンとは逆に、光を照射するとナトリウムイオンを細胞外に排出するKrokinobacter rhodopsin2 (KR2)についてもその構造解析を行い、2.3Åという高分解能でその立体構造を決定することに成功した。得られた結晶構造と分光学的解析を組み合わせることで、このKR2とよばれるタンパク質がどのようにしてナトリウムイオンポンプという機能を獲得することが出来たのか、その分子基盤を解明することに成功した(現在投稿準備中。)

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初3年目の目的であったチャネルロドプシンの吸収波長変異体の作成に付いても論文にまとめるだけの成果が得られているのみならず、チャネルロドプシンと類縁の新規微生物型ロドプシンであるKR2についても、その構造解析に成功し、光駆動性ナトリウムイオンポンプという新規機能の構造基盤を解明することが出来た。そのため、本年度が最終年度であるが、当初の計画以上に進展したと判断した。

今後の研究の推進方策

本年度が最終年度ではあるが、今度の研究の推進方策としては、立体構造情報を元に吸収波長以外のプロパティを変化させたチャネルロドプシンやKR2、例えばイオン選択性の変化したチャネルロドプシンやKR2の創製を試みるということが考えられる。特に今回、KR2の結晶構造からプロトンポンプ以外の陽イオンポンプを可能とするのに必要な構造モチーフが明らかになった為、この情報を元に、未だ自然界から発見されていない光駆動性カリウムイオンポンプの創製を試みるということを方策として掲げる。

研究成果

• [雑誌論文] Water-containing hydrogen-bonding network in the active center of channelrhodopsin. (2014)
  • 著者名/発表者名: Ito, S., Kato, H. E., Taniguchi, R., Nureki, O. and Kandori, H.
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 136 号: 9 ページ: 3475-3482
  • DOI: 10.1021/ja410836g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural basis for dynamic mechanism of proton-coupled symport by the peptide transporter POT. (2013)
  • 著者名/発表者名: Doki, S., Kato, H. E., Solcan, N., Iwaki, M., Koyama, M., Iwase, N., Tsukazaki, T., Sugita, Y., Kandori, H., Newstead, S., Ishitani, R., and Nureki, O.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States 巻: 110 号: 28 ページ: 11343-11348
  • DOI: 10.1073/pnas.1301079110
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal structure of channelrhodopsin, a light-gated cation channel - all cations lead through the monomer - (2013)
  • 著者名/発表者名: Kato. H. E. and Nureki, O.
  • 雑誌名: BIOPHYSICS 巻: 9 号: 0 ページ: 57-61
  • DOI: 10.2142/biophysics.9.57
  • NAID: 130003366030
  • ISSN: 1349-2942
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural and Spectral Characterization of C1C2 Channelrhodopsin and its Mutants by Molecular Simulations (2013)
  • 著者名/発表者名: Motoshi Kamiya, Hideaki E. Kato, Ryuichiro Ishitani, Osamu Nureki, Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 556 ページ: 266-271
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2012.11.066
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural basis for the drug extrusion mechanism by a MATE multidrug transporter (2013)
  • 著者名/発表者名: Y・ Tanaka, C・J・ Hipolito, A・D・ Maturana, K・ Ito, T・ Kuroda, T・ Higuchi, T・ Katoh, H・E・ Kato, M・ Hattori, K・ Kumazaki, T・ Tsukazaki, R・ Ishitani, H・ Suga, O・ Nureki
  • 雑誌名: Nature 巻: 496 号: 7444 ページ: 247-51
  • DOI: 10.1038/nature12014
  • 査読あり
• [雑誌論文] 光駆動性陽イオンチャネルであるチャネルロドプシンの結晶構造 (2012)
  • 著者名/発表者名: 加藤英明、濡木理
  • 雑誌名: 日本結晶学会誌 巻: 54 ページ: 220-225
  • NAID: 10031042484
• [雑誌論文] Crystal Structure of Channelrhodopsin, a Light-Gated Cation Channel : All Cations Lead through the Monomer (2012)
  • 著者名/発表者名: Hideaki E. Kato, Osamu Nureki
  • 雑誌名: Photon Factory Activity Report 2011 -PartA- highlights 巻: 29 ページ: 47-47
• [雑誌論文] Crystal structure of the channelrhodopsin light-gated cation channel (2012)
  • 著者名/発表者名: Hideaki E.Kato, Feng Zhang, Ofer Yizhar, Charu Ramakrishnan, Tomohiro Nishizawa, Kunio Hirata, Jumpei Ito, Yusuke Aita, Tomoya Tsukazaki, Shigehiko Hayashi, Peter Hegemann, Andres D.Maturana, Ryuichiro Ishitani, Karl Deisseroth, Osamu Nureki
  • 雑誌名: Nature 巻: 482 号: 7385 ページ: 369-374
  • DOI: 10.1038/nature10870
  • 査読あり
• [学会発表] Structural and computational analyses of channelrhodopsin, a light-gat ed cation channel (Poster 001) (2013)
  • 著者名/発表者名: Hideaki E. Kato, Mizuki Takemoto, Michio Koyama, Jumpei Ito, Shigehiko Hayashi, Andres D. Maturana, Karl Deisseroth, Ryuichiro Ishitani and Osamu Nureki
  • 学会等名: International Symposium Optogenetics 2013
  • 発表場所: 三田, 東京都
  • 年月日: 2013-09-26
• [学会発表] Structural and computational analyses of channelrhodopsin, a light-gat ed cation channel (Poster 056) (2013)
  • 著者名/発表者名: Hideaki E. Kato, Mizuki Takemoto, Michio Koyama, Jumpei Ito, Shigehiko Hayashi, Andres D. Maturana, Karl Deisseroth, Ryuichiro Ishitani and Osamu Nureki
  • 学会等名: 27^<th> Annual Symposium of the Protein Society
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2013-07-21
• [学会発表] Crystal structure of channelrhodopsin, a light-gated cation channel (2012)
  • 著者名/発表者名: 加藤英明
  • 学会等名: 第50回日本生物物理学会年会(1YS0930)
  • 発表場所: 名古屋大学(愛知)(招待講演)
  • 年月日: 2012-09-23
• [学会発表] チャネルロドプシンの構造解析を通じて視る脂質キュービック法 (2012)
  • 著者名/発表者名: 加藤英明
  • 学会等名: 蛋白研セミナー"高難度結晶の分解能向上に秘策はあるのか?"
  • 発表場所: 名古屋国際会議場(愛知)(招待講演)
  • 年月日: 2012-09-20
• [学会発表] Crystal structure of channelrhodopsin, a light-gated cation channel (2012)
  • 著者名/発表者名: 加藤英明
  • 学会等名: 第12回日本蛋白質科学会年会(2SA-05)
  • 発表場所: 名古屋国際会議場(愛知)(招待講演)
  • 年月日: 2012-06-21
• [学会発表] Crystal structure of channelrhodopsin, a light-gated cation channel (2012)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Kato
  • 学会等名: Gordon Research Conferences "Ligand Recognition & Molecular Gating"
  • 発表場所: アメリカ カリフォルニア州Ventura
  • 年月日: 2012-01-19
• [学会発表] Crystal structure of channelrhodopsin, a light-gated cation channel (2012)
  • 著者名/発表者名: 加藤英明
  • 学会等名: 若手分野間連携プロジェクト冬の会議in箱根6^<th> Circular
  • 発表場所: 強羅静雲荘(神奈川)
  • 年月日: 2012-01-12
• [学会発表] X-ray crystallographic analysis of channelrhodopsin, light-gated cation channel.(演題番号2T7pI-6) (2011)
  • 著者名/発表者名: 加藤英明
  • 学会等名: 第34回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: パシフィコ横浜(神奈川)
  • 年月日: 2011-12-14
• [図書] オプトジェネティクス-光工学と遺伝学による行動制御技術の最前線- 1編1章1節 チャネルロドプシンの構造機能解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 加藤英明、石谷隆一郎、濡木理
  • 総ページ数: 10
  • 出版者: 理工学系出版社(株)エヌ・ティー・エス
• [備考]
  • URL: http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2013/32.html
• [備考]
  • URL: http://www.pssj.jp/NEWSLETTER/14/Newsletter14-1.html
• [備考]
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/stu01/h12_03_j.html
• [備考]
  • URL: http://www.moleculardimensions.com/applications/upload/MD1-%2085%20MemMeso.pdf
• [備考]
  • URL: http://www.pssj.jp/NEWSLETTER/12/Newsletter12-5.html
• [備考]
  • URL: http://www.merckmillipore.jp/merck-award/japanese/c_0iCb.s1OjWAAAAEbbWU10jRv
• [備考]
  • URL: http://www.jsps.go.jp/j-ikushi-prize/ichiran_2_h24.html
• [備考]
  • URL: http://www.asahi.com/tech_science/articles/TKY201304070058.html
• [備考]
  • URL: http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2012/03.html
• [備考]
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/ja/todai-research/research-information/channelrhodopsin/
• [備考]
  • URL: http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2012/120123_3