今までにない高時間レベルでイオンポンプ型ロドプシンのイオン輸送を測る

• 研究課題/領域番号: 18K06109
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43030:機能生物化学関連
• 研究機関: 名古屋工業大学
• 研究代表者: 角田 聡 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 研究員 (00598857)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2018年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: ロドプシン / 電気生理学 / 光遺伝学 / イオンポンプ / 光受容体 / イオンチャネル / 微生物ロドプシン / イオン輸送 / オプトジェネテイクス / オプトジェネティクス / 生体エネルギー変換

研究成果の概要

光駆動型イオンポンプであるロドプシン分子によるイオン輸送を、今までにないマイクロ秒オーダーの時間分解で測定するため、本研究では電気生理学的手法にナノ秒フラッシュレーザーを組み合わせた。これにより、サブマイクロ秒オーダーの高い時間分解能で、かつ電気化学ポテンシャル差を正確に制御し、ロドプシンの光反応を１回のみ誘起した際のイオン輸送を測定することに成功した。そして輸送速度、輸送量を定量的に解析することで、光反応サイクルにおける水素イオンや、ナトリウムイオン輸送機構の解析を行った。そして、そのイオン輸送活性に対する細胞のpH環境やナトリウムイオンの影響を評価した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

高い時間分解能におけるイオン輸送計測から、イオン輸送の詳細な機構が明らかになった。また、合計9種類のイオンポンプロドプシンによるイオン輸送を初めて体系的に同条件で計測することで、イオン輸送に対する細胞環境の効果を検証し、ポンプ間での特性の違いを見出すことに成功した。これらの知見は光遺伝学等における光受容体を利用した生命の光操作技術や医療応用を技術応用への基盤となると期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Technion-Israel Institute of Technology(イスラエル)
• [国際共同研究] Jawaharlal Nehru大学(インド)
• [雑誌論文] Ion transport activity and optogenetics capability of light-driven Na+-pump KR2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Hososhima S, Kandori H, Tsunoda SP.
  • 雑誌名: PLoS One. 巻: 16 号: 9 ページ: e0256728-e0256728
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0256728
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] TAT Rhodopsin Is an Ultraviolet-Dependent Environmental pH Sensor (2021)
  • 著者名/発表者名: Kataoka Chihiro、Sugimoto Teppei、Shigemura Shunta、Katayama Kota、Tsunoda Satoshi P.、Inoue Keiichi、Beja Oded、Kandori Hideki
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 60 号: 12 ページ: 899-907
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.0c00951
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Specific residues in the cytoplasmic domain modulate photocurrent kinetics of channelrhodopsin from Klebsormidium nitens (2021)
  • 著者名/発表者名: Tashiro R, Sushmita K, Hososhima S, Sharma S, Kateriya S, Kandori H, Tsunoda SP.
  • 雑誌名: Commun. Biol. 巻: 4 号: 1 ページ: 235-235
  • DOI: 10.1038/s42003-021-01755-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular properties of new enzyme rhodopsins with PDE activity (2020)
  • 著者名/発表者名: Sugiura M., Tsunoda SP., Hibi M., Kandori H
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 5 号: 18 ページ: 10602-10609
  • DOI: 10.1021/acsomega.0c01113
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural insights into the mechanism of rhodopsin phosphodiesterase (2020)
  • 著者名/発表者名: Ikuta T, Shihoya W, Sugiura M, Yoshida K, Watari M, Tokano T, Yamashita K, Katayama K, Tsunoda SP, Uchihashi T, Kandori H and Nureki O.
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 11 号: 1 ページ: 5605-5605
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19376-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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] Ion Channel Properties of a Cation Channelrhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Shigemura, S. Hososhima, H. Kandori, SP. Tsunoda
  • 雑誌名: Appl. Sci. 巻: 9 号: 17 ページ: 3440-3440
  • DOI: 10.3390/app9173440
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spectroscopic study of the transmembrane domain of a rhodopsin-phosphodiesterase fusion protein from a unicellular eukaryote (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Watari, T. Ikuta, D. Yamada, W. Shihoya, K. Yoshida, S. P. Tsunoda, O. Nureki, and H. Kandori
  • 雑誌名: J. Biol. Chem 巻: 294 号: 10 ページ: 3432-3443
  • DOI: 10.1074/jbc.ra118.006277
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] "Light-driven sodium-pumping rhodopsin: a new concept of active transport" (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Kandori*, K. Inoue, S. P. Tsunoda
  • 雑誌名: Chem. Rev. 巻: in press 号: 21 ページ: 10646-10658
  • DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00548
  • 査読あり
• [雑誌論文] Production of a Light-Gated Proton Channel by Replacing the Retinal Chromophore with Its Synthetic Vinylene Derivative. (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Takayama, A. Kaneko , T. Okitsu, S. P. Tsunoda, K. Shimono , M. Mizuno, K. Kojima, T. Tsukamoto, H. Kandori, Y. Mizutani, A. Wada, Y. Sudo
  • 雑誌名: J Phys Chem Lett 巻: 9 号: 11 ページ: 2857-2862
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b00879
  • 査読あり
• [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
• [学会発表] Electrophysiological analysis of various proton pump rhodopsins (2021)
  • 著者名/発表者名: Akari Okuyama, Shoko Hososhima, Satoshi Tsunoda, Hideki Kandori
  • 学会等名: 日本生物物理学会第59回年会
  • 国際学会
• [学会発表] 様々な内向きおよび外向き プロトンポンプロドプシンへの 電気化学ポテンシャル勾配の影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥山あかり・細島頌子・角田 聡・神取秀樹
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第47回討論会
• [学会発表] 電気生理学的測定によるプロトンポンプロドプシンの駆動力の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥山あかり・細島頌子・角田 聡・神取秀樹
  • 学会等名: 第47回生体分子科学討論会
• [学会発表] CNGチャネルを用いた高時間分解での酵素ロドプシンの機能計測系の確立 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石川和季、細島頌子、角田聡、神取秀樹
  • 学会等名: 日本生物物理学会中部支部会
• [学会発表] プロトンポンプロドプシンの駆動力の比較 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥山あかり、細島頌子、角田聡、神取秀樹
  • 学会等名: 日本生物物理学会中部支部会
• [学会発表] ロドプシンフォスホジエステラーゼ（Ｒｈ― ＰＤＥ）の非対称的ｐＨ効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 杉浦雅大、角田聡、日比正彦、神取秀樹
  • 学会等名: 日本科学会 CSJ フェスタ
• [学会発表] Molecular function and structural properties of Rh-PDE (2020)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Tsunoda
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Importance of the C-terminal region in cation channelrhodopsin Ts_Rh3 (2020)
  • 著者名/発表者名: Rintaro Tashiro, Kumari Sushmita, Suneel Kateriya, Hideki Kandori, Satoshi Tsunoda
  • 学会等名: 日本生物物理学会第58回年会
  • 国際学会
• [学会発表] Electrophysiological study and Optogenetics application of inward-directed proton-pumping rhodopsin, NsXeR (2019)
  • 著者名/発表者名: 角田聡、細島頌子、神取秀樹
  • 学会等名: 日本生物物理学会第56回年会
  • 国際学会
• [学会発表] 酵素型ロドプシンの分子機構と光遺伝学への応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 角田聡
  • 学会等名: 物性研ワークショップ「レチナールタンパク質の光機能発現の物理と科学」
  • 招待講演
• [学会発表] 「酵素型ロドプシン：細胞内シグナル伝達を光で操る」 (2019)
  • 著者名/発表者名: 角田聡
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 「光駆動型イオンポンプとイオンチャネルがイオンを輸送する仕組み」 (2018)
  • 著者名/発表者名: 角田聡
  • 学会等名: 大阪大学蛋白質研究所セミナー「構造情報に基づいた膜イオン輸送タンパク質の生理機能の解明に向けて」
  • 招待講演
• [学会発表] 「生体エネルギーを浪費する光駆動内向きプロトンポンプロドプシン」 (2018)
  • 著者名/発表者名: 角田聡 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
• [図書] Optogenetics “Chapter 9 Molecular properties and optogenetics application of enzymerhodopsins” (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsunoda SP, Sugiura M, Kandori H
  • 出版者: Springer Nature
  • ISBN: 9789811587634
• [備考] 真核生物の祖先に最も近縁なアスガルド古細菌の持つ 新しい光受容タンパク質の機能を解明
  • URL: https://www.jst.go.jp/pr/announce/20200411/index.html
• [産業財産権] 青色光応答性タンパク質及びその利用 (2021)
  • 発明者名: 田代凛太郎、細島頌子、角田聡、神取秀樹
  • 権利者名: 田代凛太郎、細島頌子、角田聡、神取秀樹
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2021-023873
  • 出願年月日: 2021