微生物型ロドプシンタンパク質を用いた植物における膜電位操作系の開発

• 研究課題/領域番号: 17K19230
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 農芸化学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学 (2019); 名古屋工業大学 (2017-2018)
• 研究代表者: 井上 雅恵 (今野雅恵) 東京大学, 物性研究所, 特任研究員 (60459732)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2019年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2018年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2017年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: オプトジェネティクス / 膜電位 / 微生物型ロドプシン / 植物細胞 / イオン輸送 / 光遺伝学 / 膜電位制御 / 植物培養細胞 / 遺伝子導入 / 植物 / 生体分子 / 代謝

研究成果の概要

本研究は微生物型ロドプシンの光駆動イオン輸送能を利用した、植物の細胞膜電位を光で制御する系の確立を目的とした。膜電位操作ツールの候補として6種の微生物型ロドプシンと蛍光タンパク質Venusの融合タンパク質を植物培養細胞で一過的に発現したところ、外向きナトリウムポンプKR2、カチオンチャネルGtCCR4、アニオンチャネルGtACR1で原形質膜局在が確認された。また、KR2およびGtCCR4を発現した細胞では530nmの光照射に伴って光依存的な膜電位の過分極が観測された。さらに新奇微生物型ロドプシンとしてカチオンチャネルGtCCR4及び内向きプロトンポンプSzRの分子特性を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究でKR2およびGtCCR4発現細胞における光依存的な膜電位の過分極が観測されたことは、微生物型ロドプシンが植物細胞の膜電位を操作するためのオプトジェネティクスツールとして機能することを示した初めての例である。また、新奇微生物型ロドプシンとしてカチオンチャネルGtCCR4及び内向きプロトンポンプSzRの機能解析を行い、新たな膜電位操作ツールとしての可能性を提示した。特に、GtCCR4はこれまで利用されてきたChR2とは性質が異なるツールとしての可能性が期待されている。

研究成果

• [雑誌論文] Schizorhodopsins: A novel family of rhodopsins from Asgard archaea that function as light-driven inward H+ pumps (2020)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue, Satoshi P. Tsunoda, Manish Singh, Sahoko Tomida, Shoko Hososhima, Masae Konno, Ryoko Nakamura, Hiroki Watanabe, Paul-Adrian Bulzu, Horia L. Banciu, Adrian Andrei, Takayuki Uchihashi, Rohit Ghai, Oded Beja, Hideki Kandori
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 6 号: 15
  • DOI: 10.1126/sciadv.aaz2441
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal structure of heliorhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: W. Shihoya, K. Inoue, M. Singh, M. Konno, S. Hososhima, K. Yamashita, K. Ikeda, A. Higuchi, T. Izume, Okazaki S, Hashimoto M, Mizutori R, Tomida S, Yamauchi Y, Abe-Yoshizumi R, K. Katayama, SP. Tsunoda, M. Shibata, Y. Furutani, A. Pushkarev, O. Béjà, T. Uchihashi, H. Kandori, O. Nureki
  • 雑誌名: Nature 巻: 574 号: 7776 ページ: 132-136
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1604-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Engineered Functional Recovery of Microbial Rhodopsin without Retinal-Binding Lysine. (2019)
  • 著者名/発表者名: Yumeka Yamauchi, Masae Konno, Daichi Yamada, Kei Yura, Keiichi Inoue, Oded Beja, Hideki Kandori
  • 雑誌名: Photochem. Photobiol. 巻: 印刷中 号: 5 ページ: 1116-1121
  • DOI: 10.1111/php.13114
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A distinct abundant group of microbial rhodopsins discovered using functional metagenomics. (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Nature 巻: 558 号: 7711 ページ: 595-599
  • DOI: 10.1038/s41586-018-0225-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Oligomeric states of microbial rhodopsins determined by high-speed atomic force microscopy and circular dichroic spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Shibata Mikihiro、Inoue Keiichi、Ikeda Kento、Konno Masae、Singh Manish、Kataoka Chihiro、Abe-Yoshizumi Rei、Kandori Hideki、Uchihashi Takayuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 8262-8262
  • DOI: 10.1038/s41598-018-26606-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular properties of a DTD channelrhodopsin from <i>Guillardia theta</i> (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamauchi Yumeka、Konno Masae、Ito Shota、Tsunoda Satoshi P.、Inoue Keiichi、Kandori Hideki
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 14 号: 0 ページ: 57-66
  • DOI: 10.2142/biophysico.14.0_57
  • NAID: 130007040873
  • ISSN: 2189-4779
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Structural basis of proton transport in Schizorhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Higuchi, W. Shihoya, K. Inoue, M. Konno, H. Kandori, O. Nureki
  • 学会等名: The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Engineering microbial rhodopsin without retinal-binding lysine to gain photosensitive function (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamauchi, M. Konno, D. Yamada, K. Yura, K. Inoue, O. Beja, H.Kandori
  • 学会等名: The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular characterization of heliorhodopsin from marine giant virus light-dependently infecting to Emiliania huxleyi. (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Mizutori, M. Konno, K. Inoue, O. Beja, H. Kandori
  • 学会等名: The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Characterization of the inward proton transport pathway in Schizorhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Konno, K. Inoue, R. Ghai, O. Beja, H. Kandori
  • 学会等名: The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Structure and biophysical characterization of the heliorhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: W. Shihoya、K. Inoue、M. Singh、M. Konno、S. Hososhima、K. Yamashita、K. Ikeda、A. Higuchi、T. Izume、S. Okazaki、M. Hashimoto、R. Mizutori、S. Tomida、Y. Yamauchi、R. Abe-Yoshizumi、K. Katayama、S.P. Tsunoda、M. Shibata、Y. Furutani、A. Pushkarev、O. Beja、T. Uchihashi、H. Kandori、O. Nureki
  • 学会等名: The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular properties of new type microbial rhodopsins (2019)
  • 著者名/発表者名: M.Konno
  • 学会等名: International Symposium on “Optobiotechnology”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 微生物型ロドプシンを用いた植物細胞の膜電位操作系の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 今野雅恵, 神取秀樹
  • 学会等名: 第60回日本植物生理学会年会
• [学会発表] The effect of protein expression host on the ion-transport analysis of microbial rhodopsins (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Konno, K. Inoue, H. Kandori
  • 学会等名: 18th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会
• [学会発表] Gene expression analysis of rhodopsin-like proteins from marine algae Guillardia theta. (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamauchi, M. Konno, K. Inoue, H. Kandori
  • 学会等名: 18th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会
• [学会発表] Gene expression analysis of 44 microbial rhodopsin-like proteins from marine algae Guillardia theta. (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamauchi, M. Konno, K. Inoue, H. Kandori
  • 学会等名: .” The 56rd Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Microbial rhodopsins leading to development of optogenetic tool. (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Konno
  • 学会等名: Symposium “Dive into Brain Abyss by Optogenetics.” The 56rd Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Molecular characterization of heliorhodopsin from Emiliania huxleyi virus (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Mizutori, M. Konno, K. Inoue, O, B&eacute;j&agrave;, H. Kandori.
  • 学会等名: The 56rd Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Identification and functional analysis of two lycopene cyclase genes (crtL-b and crtL-e) in Guillrdia theta (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Konno, H. Kandori, S. Takaichi
  • 学会等名: ISPR International Conference on Microbial Photosynthesis
  • 国際学会
• [学会発表] 海洋性クリプト藻由来の微生物型ロドプシン様遺伝子の発現解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山内夢叶、今野雅恵、井上圭一、神取秀樹
  • 学会等名: 第20回日本光生物学協会年会
• [学会発表] 海洋ブルームに影響を与える巨大ウイルスに由来する新奇ロドプシンの特性研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 水鳥律、今野雅恵、井上圭一、Oded B&eacute;j&agrave;、神取秀樹
  • 学会等名: 第20回日本光生物学協会年会
• [学会発表] 海洋性真核藻類がもつ光駆動カチオンチャネルGtCCR4の光反応解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山内夢叶，今野雅恵，伊藤奨太，井上圭一，神取秀樹
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Molecular properties of the light-gated cation channel from cryptophyta Guillardia theta (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamauchi, M. Konno, S. Ito, Y. Kato, S. Tsunoda, K. Inoue, H. Kandori
  • 学会等名: 253rd American Chemical Society National Meeting & Exposition
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular properties of a DTD cation channelrhodopsin from marine algae (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamauchi, M. Konno, S. Ito, S. Tsunoda, K. Inoue, H. Kandori
  • 学会等名: International Symposium on Biophysics of Rhodopsins
  • 国際学会
• [学会発表] 海洋性クリプト藻Guillardia thetaが持つ微生物型ロドプシン様遺伝子の発現解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 今野雅恵、井上圭一、神取秀樹
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] Spectroscopic analysis of a light-gated cation channel GtCCR4 from marine algae (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamauchi, M. Konno, S. Ito, S. Tsunoda, K. Inoue, H. Kandori
  • 学会等名: The 55th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] 光駆動カチオンチャネルGtCCR4を対象とする光反応過程の解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山内夢叶、今野雅恵、伊藤奨太、角田聡、井上圭一、神取秀樹
  • 学会等名: 第7回CSJ化学フェスタ2017
• [学会発表] Gene Expression Analysis of Microbial Rhodopsin-Like Genes in Marine Cryptomonad (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Konno, Y. Yamauchi, K. Inoue, H. Kandori
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] 海洋性真核藻類がもつ光駆動カチオンャネルGtCCR4の光反応中間体の解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山内夢叶、今野雅恵、伊藤奨太、井上圭一、神取秀樹
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第43回討論会