非古典的ロドプシンの構造機能解析

• 研究課題/領域番号: 20K15728
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分43020:構造生物化学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 志甫谷 渉 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (30809421)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
• キーワード: ロドプシン / クライオ電子顕微鏡法 / GPCR / X線結晶構造解析 / 構造生物学 / クライオ電子顕微鏡

研究開始時の研究の概要

ロドプシンは７回膜貫通型の膜蛋白質であり、レチナールの光異性化に伴い構造変化することで様々な機能を発揮する。近年、内向きプロトンポンプであるシゾロドプシン、酵素型ロドプシンなどの従来とは全く異なる非古典的ロドプシンが発見されている。こうした非古典的なロドプシンの全体構造やレチナールの結合様式、光異性化に伴う構造ダイナミクスやその動作原理は全く不明である。本研究では、非古典的ロドプシンの立体構造を決定し、光による機能発現機能について原子レベルで解明する。こうした構造情報は生物界でのロドプシンの多様性への理解を深めるのみならず、光遺伝学ツールとしての応用へ向けたロドプシンの改変にも役立つ。

研究成果の概要

光エネルギーを化学エネルギーに変換するタンパク質（キサントロドプシン、プロテオロドプシン）が、カロテノイド色素の一種であるキサントフィル（ゼアキサンチンやルテイン）を集光アンテナとして利用することを発見した。ゼアキサンチンとキサントロドプシンとの複合体の立体構造を世界で初めて決定しました。今回の成果から、集光アンテナを持つロドプシンが水圏微生物に広く分布し、ロドプシンによる光エネルギー受容量が従来の試算を大きく上回る可能性が示された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

これらの色素は受容した光エネルギーをレチナール色素に移動させる集光アンテナとして働くこと、集光アンテナを持つロドプシンが水圏微生物に幅広く分布することを明らかにした。今回の発見により、水圏生態系においてロドプシンは集光アンテナを駆使し、従来の試算を上回る量の光エネルギーを受容することが示唆された。生態系を理解する上で、光エネルギーを受け取る生物の光受容効率を把握し、生態系に流れ込む光エネルギー量を正確に算出することは避けては通れない課題である。本研究の成果は、全球レベルでの水圏生態系の理解の深化につながると期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Phototrophy by Antenna-Containing Rhodopsin Pumps in Aquatic Environments (2023)
  • 著者名/発表者名: Chazan, Das, Fujiwara, Murakoshi, Rozenberg, Molina-Marquez, Sano, Tanaka, Gomez-Villegas, Larom, Pushkarev, Malakar, Hasegawa, Tsukamoto, Ishizuka, Konno, Nagata, Mizuno, Katayama, Abe-Yoshizumi, Ruhman, Inoue, Kandori, Leon, Shihoya, Yoshizawa, Sheves, Nureki, Beja
  • 雑誌名: Nature 巻: 615 号: 7952 ページ: 535-540
  • DOI: 10.1038/s41586-023-05774-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cryo-EM structure of the β3-adrenergic receptor reveals the molecular basis of subtype selectivity. (2021)
  • 著者名/発表者名: Nagiri, C., Kobayashi, K., Tomita, A., Kato, M., Kobayashi, K., Yamashita, K., Nishizawa, T., Inoue, A., Shihoya, W. and Nureki, O.
  • 雑誌名: Mol. Cell 巻: 81 号: 15 ページ: 3205-3215
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2021.06.024
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Crystal Structure of Schizorhodopsin Reveals Mechanism of Inward Proton Pumping (2021)
  • 著者名/発表者名: Akimitsu Higuchi, Wataru Shihoya, Masae Konno, Tatsuya Ikuta, Hideki Kandori, Keiichi Inoue, Osamu Nureki
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: 118 号: 14 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1073/pnas.2016328118
  • 査読あり
• [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