光遺伝学による光活性化アデニル酸シクラーゼ合成酵素（PAC）の創成

• 研究課題/領域番号: 18H02413
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43040:生物物理学関連
• 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: 小山 隆太 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 准教授 (90431890)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2020年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2019年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2018年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円)
• キーワード: 光活性化アデニル酸シクラーゼ / 光反応酵素 / 光遺伝学 / 構造解析 / アデニル酸シクラーゼ / 構造生物学

研究成果の概要

PACは、最初にミドリムシから発見され以後、複数の原核生物からも相同遺伝子が見出されていたが、いずれも原子レベルでの構造・機能解明までには至ってない。本研究では解明されたOaPAC光活性化メカニズムの構造科学的解明を基に、細胞内でのセカンドメッセンジャー光制御への光遺伝学の展開や、PACの酵素ドメイン改変によるcGMP光産生酵素の創出による光制御医学ツールとして基礎医学的研究で、反応機構解明を向けてOaPACに対して微結晶調製を大量作製し、XFEL(X線自由電子レーザー) を利用し、光感受性タンパク質の多様な光応答機構の解明に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

青光により活性化アデニル酸シクラーゼcAMP分子を量産する酵素として、特性解明や生物機能光制御への展開も提唱・実行してきた。本申請者は、PACの相同遺伝子であるOaPACの立体構造解明に世界初めて成功し、光活性化機構に関する構造科学的な研究は本研究グループが先駆的に積み上げてきた。神経興奮の光制御、いわゆる光遺伝学、が急速に普及し、OaPACによるcAMPを介する生体機能光制御も概念上同類とみなされつつあるが、はるかに広範で多彩な生命活動の光制御につながり、血管新生・脳病変原生・神経回路ネットワーキング・記憶などの光発生医学現象の制御・解明・治療・創薬スクリーニング開拓を先導するものである。

研究成果

• [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] Epidermal growth factor receptor is a host entry cofactor triggering hepatitis B virus internalization (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Iwamoto, W. Saso, R. Sugiyama, K. Ishii, M. Ohki, S. Nagamori, R. Suzuki, H. Aizaki, A. Ryo, J-H Yun, S-Y Park, N. Ohtani, M. Muramatsu, S. Iwami, Y. Tanaka, C. Sureau, T. Wakita and K. Watashi
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 116 号: 17 ページ: 8487-8492
  • DOI: 10.1073/pnas.1811064116
  • 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
• [雑誌論文] Crystal structure of the Ube2K/E2-25K and K48-linked di-ubiquitin complex provides structural insight into the mechanism of K48-specific tri-ubiquitin synthesis (2018)
  • 著者名/発表者名: J. G. Lee, H. S. Youn, J. Y. Kang, S. Y. Park, A. Kidera, Y. J. Yoo, and S. H. Eom
  • 雑誌名: Biochem. Biophys. Res. Commun. 巻: 506 号: 1 ページ: 102-107
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2018.10.067
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Chemical array system, a platform to identify novel hepatitis B virus entry inhibitors targeting sodium taurocholate cotransporting polypeptide. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kaneko M, Futamura Y, Tsukuda S, Kondoh Y, Sekine T, Hirano H, Fukano K, Ohashi H, Saso W, Morishita R, Matsunaga S, Kawai F, Ryo A, Park SY, Suzuki R, Aizaki H, Ohtani N, Sureau C, Wakita T, Osada H, Watashi K.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 2769 ページ: 1-13
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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