イオン輸送型ロドプシンのアミノ酸変異による輸送方式の変換とその分子機構の解明

• 研究課題/領域番号: 18K14658
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分43040:生物物理学関連
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 塚本 卓 北海道大学, 先端生命科学研究院, 助教 (30744271)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 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: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: 光受容体 / ロドプシン / イオンチャネル / イオンポンプ / 構造変化 / 速度論的解析 / 機能変換 / フラッシュフォトリシス / オプトジェネティクス

研究成果の概要

微生物の光受容タンパク質・ロドプシンのうち、アニオンポンプ型およびアニオンチャネル型ロドプシンをモデルとして、「ポンプ」と「チャネル」という異なる輸送方式を決定する要因を解明することを目的に、研究を行った。本研究を通して、主にアニオンチャネル型ロドプシンについて、新規分子の探索およびイオン輸送機構を詳しく調査した。これに先立ち、簡便なイオン輸送活性測定法を開発した。これにより、多数の検体を簡単に調べることができ、その中から特徴的な機能をもつ分子を発見した。また、アニオンチャネル型ロドプシンのイオン結合性や、塩濃度によって変化する機能メカニズムを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

微生物の光受容体タンパク質・ロドプシンは、共通のタンパク質構造と活性化反応をもつにもかかわらず、『ポンプ』と『チャネル』という全く異なる方式で基質イオンを輸送する。それぞれの輸送機構はよく理解されてきたが、輸送方式を決定する要因は明らかではない。これを解明するためには、アミノ酸変異によるポンプ⇔チャネル相互機能変換が有効である。
本研究は、ポンプをポンプたらしめる、チャネルをチャネルたらしめるロドプシンの精巧な動作原理の理解につながる。本研究成果を応用し、オプトジェネティクス（光による神経細胞活動の操作技術）に利用可能な分子開発に展開できる。

研究成果

• [雑誌論文] Quantitation of the neural silencing activity of anion channelrhodopsins in Caenorhabditis elegans and their applicability for long-term illumination (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamanashi T, Maki M, Kojima K, Shibukawa A, Tsukamoto T, Chowdhury S, Yamanaka A, Takagi S, Sudo Y
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 9(1) 号: 1 ページ: 7863-7863
  • DOI: 10.1038/s41598-019-44308-x
  • NAID: 120006733902
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Functional importance of the oligomer formation of the cyanobacterial H+ pump Gloeobacter rhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: Iizuka Azusa、Kajimoto Kousuke、Fujisawa Tomotsumi、Tsukamoto Takashi、Aizawa Tomoyasu、Kamo Naoki、Jung Kwang-Hwan、Unno Masashi、Demura Makoto、Kikukawa Takashi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 10711-10711
  • DOI: 10.1038/s41598-019-47178-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Implications for the impairment of the rapid channel closing of Proteomonas sulcata anion channelrhodopsin 1 at high Cl- concentrations (2018)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto Takashi、Kikuchi Chihiro、Suzuki Hiromu、Aizawa Tomoyasu、Kikukawa Takashi、Demura Makoto
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 13445-13445
  • DOI: 10.1038/s41598-018-31742-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High thermal stability of oligomeric assemblies of Thermophilic rhodopsin in a lipid environment. (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Shionoya, Misao Mizuno, Takashi Tsukamoto, Kento Ikeda, Hayato Seki, Keiichi Kojima, Mikihiro Shibata, Izuru Kawamura, Yuki Sudo, and Yasuhisa Mizutani
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 122 号: 27 ページ: 6945-6953
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b04894
  • 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
• [学会発表] Replacements of “H+ donor” residues in the light-driven H+-pump rhodopsins (2019)
  • 著者名/発表者名: Kikukawa, T., Sasaki, S., Nishiya, K., Tsukamoto, T., Aizazwa, T.,Demura, M., Tamogami, J.
  • 学会等名: 17th International Congress on Photobiology & 18th Congress of the European Society for Photobiology
  • 国際学会
• [学会発表] Time-resolved detection of Na+ uptake and release reactions of Na+-pumping rhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: Murabe, K., Kato, T., Tsukamoto, T., Aizawa, T., Demura, T., Kikukawa, T.
  • 学会等名: The 9th Asia and Oceania Conference on Photobiology
  • 国際学会
• [学会発表] Importance of His166 for Cl- pump activity of Mastigocladopsis repens halorhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: Iwama, K., Watanabe, Y., Tsukamoto, T., Aizawa, T., Demura, M., Kikukawa, T.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第57回年会
• [学会発表] Inversion of Proton Transport for Thermophilic Rhodopsin by Neutralizing the Secondary Counterion Asp229 (2019)
  • 著者名/発表者名: Kiyoshima, M., Kikukawa, T., Aizawa, T., Demura, M., Sudo, Y., Tsukamoto, T.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第57回年会
• [学会発表] Comparative Study for Anion Transport Activity of Anion Channelrhodopsins by Using a Simple pH Electrode Method (2019)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi, C., Aizawa, T., Takashi Kikukawa, T., Demura, M., Tsukamoto, T.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第57回年会
• [学会発表] An Anion Channelrhodopsin with a Naturally Super-Slow Photocycle (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto, T., Kitahara, T., Kurane, H., Kikuchi, C., Aizawa, T., Kikukawa, T., Demura, M.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第57回年会
• [学会発表] Substrate anion concentration significantly affects the fast channel closing of Proteomonas sulcata anion channelrhodopsin-1 (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tsukamoto、Chihiro Kikuchi、Hiromu Suzuki、Tomoyasu Aizawa、Takashi Kikukawa、Makoto Demura
  • 学会等名: 日本生物物理学会第56回年会
• [学会発表] Anion concentration dependency on the photocycle of PsuACR1: Implications for the impairment of its fast channel function (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tsukamoto、Chihiro Kikuchi、Hiromu Suzuki、Tomoyasu Aizawa、Takashi Kikukawa、Makoto Demura
  • 学会等名: 18th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会
• [学会発表] Photochemical Properties of Microbial Rhodopsin Pumps and Channels (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tsukamoto
  • 学会等名: Asia Pasific Society for Biology and Medical Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: https://tenure-track.cris.hokudai.ac.jp/lab/tsukamoto/
• [備考] 北海道大学プレスリリース
  • URL: https://www.hokudai.ac.jp/news/180912_pr.pdf