赤外分光を用いた酵素型ロドプシンの光反応ダイナミクス解明

• 研究課題/領域番号: 22KJ1620
• 補助金の研究課題番号: 21J22970 (2021-2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2021-2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分43040:生物物理学関連
• 研究機関: 名古屋工業大学
• 研究代表者: 杉浦 雅大 名古屋工業大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
• キーワード: 酵素ロドプシン / 赤外分光 / 微生物ロドプシン / 異性化反応 / レチナール / ロドプシン / 酵素 / セカンドメッセンジャー

研究開始時の研究の概要

酵素ロドプシンは、膜内ドメインと酵素ドメインが直接結合した光受容膜タンパク質であり、細胞内シグナル伝達物質（cAMP, cGMP）の産生／分解を光で制御できる。そのため、光で生体活動を制御する光遺伝学に応用可能なツールとして期待されている。
一方、発見から11年経った現在においても「膜内ドメインでの光受容情報がどのように酵素ドメインに伝わるのか？」といった分子基盤の理解は進んでいない。
本研究では、ミリÅオーダーの分子内構造情報をとらえられる赤外分光法を用いて2つのドメイン間で構造変化はいつ、どのように伝わるのか、酵素活性がどのように制御されているのかを明らかにする。

研究実績の概要

ここ十数年における世界のロドプシン研究は、指数関数的な発展を見せており、最近では多数の酵素ロドプシン（光活性化酵素）が発見されている。我々はそれら酵素ロドプシンの作動メカニズムに迫るべく、大腸菌および哺乳類細胞のみならず、新たに昆虫細胞・酵母細胞を用いた試料調製を行うことでロドプシンの常識を覆す結果を得た。
①酵素ロドプシンは、光を感受する膜内ドメインと、触媒反応を担う酵素ドメインから構成されており、膜内ドメインが直接、酵素ドメインの反応を制御している点が他のロドプシンとは異なるため、その光活性化メカニズムが興味深い。そこで、分子振動変化を捉えることが可能な赤外分光法を用いて、光活性化グアニル酸シクラーゼ（Rh-GC）の光誘起されたタンパク質の変化を捉えた。現在データを追加して論文を作成中である。
②ロドプシンはレチナールという単一の発色団を持つにも関わらず、紫から赤色に至る広範な吸収波長多様性がある。これまでに、吸収波長を制御する3つのアミノ酸残基が知られていたが、昨年7月に酵素ロドプシンから発見された4つ目となる波長制御残基を同定し、米国化学会誌に報告した。
③微生物ロドプシンの持つレチナール（発色団）は全トランスから13シスへの光異性化が常識であったが、2020年に報告された新奇酵素ロドプシン（NeoR）の光反応を調べると、全トランスから7シスへの光異性化を示した。また、一般的な微生物ロドプシンは液体窒素温度において光反応を示すが、NeoR中では水が氷る温度において光反応を起こさないことを明らかにし、2022年10月に米国化学会に報告した。
上記3つのトピックに加え、ベストロドプシン（2022年に報告）やカリウム選択的チャネルロドプシン（2023年に報告）と呼ばれる新たな微生物ロドプシンの分子メカニズム解明にも取り組み、ロドプシン研究の発展にも貢献できたと考えている。

研究成果

• [国際共同研究] Technion-Israel Institute of Technology/Weizmann Institute of Science(イスラエル)
• [国際共同研究] Humboldt-Universitat zu Berlin(ドイツ)
• [国際共同研究] University of Guelph(カナダ)
• [国際共同研究] Stanford University(米国)
• [国際共同研究] Cambridge Biomedical Campus(英国)
• [国際共同研究] University of Guelph(カナダ)
• [国際共同研究] Technion-Israel Institute of Technology/Weizmann Institute of Science(イスラエル)
• [国際共同研究] Humboldt-Universitat zu Berlin(ドイツ)
• [国際共同研究] Stanford University(米国)
• [雑誌論文] A Novel Color Switch of Microbial Rhodopsin (2023)
  • 著者名/発表者名: Sugiura Masahiro、Singh Manish、Tsunoda Satoshi P.、Kandori Hideki
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 62 号: 13 ページ: 2013-2020
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.3c00131
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural Basis for Color Tuning and Ion Selectivity in Potassium-Selective Channelrhodopsins (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Tajima, Y. S. Kim, M. Fukuda, Y.J. Jo, P. Y. Wang, J. M. Paggi, E. F.X. Byrne, K. E. Kishi, S. Nakamura, C. Ramakrishnan, S. Takaramoto, T. Nagata, M. Konno, M. Sugiura, K. Katayama, T. E. Matsui, K. Yamashita, S. Kim, H. Ikeda, M. Inoue, H. Kandori, R. O. Dror, K. Inoue, K. Deisseroth, H. E. Kato
  • 雑誌名: Cell 巻: 186 号: 20 ページ: 4325-4344.e26
  • DOI: 10.1016/j.cell.2023.08.009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Unusual Photoisomerization Pathway in a Near-Infrared Light Absorbing Enzymerhodopsin (2022)
  • 著者名/発表者名: Sugiura Masahiro、Ishikawa Kazuki、Katayama Kota、Sumii Yuji、Abe-Yoshizumi Rei、Tsunoda Satoshi P.、Furutani Yuji、Shibata Norio、Brown Leonid S.、Kandori Hideki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 13 号: 40 ページ: 9539-9543
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.2c02334
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rhodopsin-bestrophin fusion proteins from unicellular algae form gigantic pentameric ion channels (2022)
  • 著者名/発表者名: Rozenberg A,Kaczmarczyk I,Matzov D,Vierock J,Nagata T,Sugiura M,Katayama K,Kawasaki Y,Konno M,Nagasaka Y,Aoyama M,Das I,Pahima E,Church J,Adam S,Borin VA,Chazan A,Augustin S,Wietek J,Dine J,Peleg Y,Kawanabe A,Fujiwara Y,Yizhar O,Sheves M,Schapiro I,Furutani Y,Kandori H,Inoue K,Hegemann P,Beja O,Shalev-Benami M.
  • 雑誌名: Nature Structural & Molecular Biology 巻: 29 号: 6 ページ: 592-603
  • DOI: 10.1038/s41594-022-00783-x
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structural basis for ion selectivity in potassium-selective channelrhodopsins (2022)
  • 著者名/発表者名: Tajima Seiya、Kim Yoon Seok、Fukuda Masahiro、Byrne Eamon F.X.、Wang Peter Y.、Paggi Joseph M.、Kishi Koichiro E.、Ramakrishnan Charu、Takaramoto Syunki、Nagata Takashi、Konno Masae、Sugiura Masahiro、他10名
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: -
  • DOI: 10.1101/2022.10.30.514430
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular Properties and Optogenetic Applications of Enzymerhodopsins (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsunoda Satoshi P.、Sugiura Masahiro、Kandori Hideki
  • 雑誌名: Adv. Exp. Med. Biol. 巻: 1293 ページ: 153-165
  • DOI: 10.1007/978-981-15-8763-4_9
  • ISBN: 9789811587627, 9789811587634
  • 査読あり
• [学会発表] Unusual photochemical properties of near-infrared light-absorbing enzymerhodopsins (NeoRs) (2023)
  • 著者名/発表者名: 17.Masahiro Sugiura, Kazuki Ishikawa, Kota Katayama, Yuji Sumii, Ritsu Mizutori, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi Tsunoda, Yuji Furutani, Norio Shibata, Leonid S. Brown, Hideki Kandori
  • 学会等名: 第23回日本蛋白質科学年会
• [学会発表] 新奇酵素ロドプシンの光反応メカニズムと応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 杉浦雅大
  • 学会等名: 生命情報科学若手の会 第8回セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 近赤外光吸収酵素ロドプシンの特異な光化学特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 杉浦雅大, 水鳥律, 石川和季, 片山耕大, 住井裕司, 吉住玲, 角田聡, 古谷祐詞, 柴田哲男, Leonid S. Brown, 神取秀樹
  • 学会等名: 第3回 高速分子動画 若手オンラインセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 新奇微生物ロドプシンの光反応メカニズム解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 杉浦雅大, 水鳥律, 石川和季, 片山耕大, 住井裕司, 吉住玲, 角田聡, 古谷祐詞, 柴田哲男, Leonid S. Brown, 神取秀樹
  • 学会等名: 【CRESTオプトバイオ】光の特性を活用した生命機能の時空間制御技術の開発と応用 第8回領域会議
• [学会発表] 近赤外光吸収酵素ロドプシンが示す特異な光化学反応 (2023)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugiura, Ritsu Mizutori, Kazuki Ishikawa, Kota Katayama, Yuji Sumii, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi Tsunoda, Yuji Furutani, Norio Shibata, Leonid S. Brown, Hideki Kandori
  • 学会等名: 第63回 生物物理若手の会夏の学校 ~生物物理の新展開~
• [学会発表] 微生物ロドプシンの新奇波長制御残基 (2023)
  • 著者名/発表者名: 杉浦雅大, Manish Singh, 角田聡, 神取秀樹
  • 学会等名: 第17回分子科学討論会2023
• [学会発表] Unique photochemical properties of near-infrared light absorbing rhodopsins (NeoRs) (2023)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugiura, Ritsu Mizutori, Kazuki Ishikawa, Kota Katayama, Yuji Sumii, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi Tsunoda, Yuji Furutani, Norio Shibata, Leonid S. Brown, Hideki Kandori
  • 学会等名: Structure, Function and Dynamics (SFD) International Conference 2023
• [学会発表] Unique photochemical reactions in near-infrared light absorbing rhodopsins (2023)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugiura, Ritsu Mizutori, Kazuki Ishikawa, Kota Katayama, Yuji Sumii, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi Tsunoda, Yuji Furutani, Norio Shibata, Leonid S. Brown, Hideki Kandori
  • 学会等名: The 61th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
• [学会発表] 特異な光化学特性を示す近赤外光吸収酵素ロドプシン (2023)
  • 著者名/発表者名: 杉浦雅大, 石川和季, 片山耕大, 住井裕司, 水鳥律, 吉住玲, 角田聡, 古谷祐詞, 柴田哲男, Leonid S. Brown, 神取秀樹
  • 学会等名: 日本生物物理学会中部支部 令和4年度中部支部講演会
• [学会発表] Unique photochemical properties of novel enzyme rhodopsin (NeoR) (2022)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugiura, Kota Katayama, Leonid S. Brown, Satoshi P. Tsunoda, Hideki Kandori
  • 学会等名: The 60th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Characteristic photochemical properties of near-infrared light-absorbing enzymerhodopsin (NeoR) (2022)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugiura, Kazuki. Ishikawa, Kota Katayama, Yuji Sumii, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi P. Tsunoda, Yuji Furutani, Norio Shibata, Leonid S. Brown, Hideki Kandori
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会
• [学会発表] Novel photoisomerization reaction in near-infrared light absorbing enzymerhodopsins (2022)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugiura, Kazuki. Ishikawa, Kota Katayama, Yuji Sumii, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi P. Tsunoda, Yuji Furutani, Norio Shibata, Leonid S. Brown, Hideki Kandori
  • 学会等名: Quantum Innovation 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 酵素ロドプシンより発見された新規波長制御残基と応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉浦雅大, Manish Singh, 角田聡, 神取秀樹
  • 学会等名: 第62回 生物物理若手の会 夏の学校
• [学会発表] 時間分解赤外分光法を用いた新奇微生物ロドプシン（ベストロドプシン）の光反応ダイナミクス (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉浦雅大，片山耕大，青山真子，Andrey Rozenberg，Igor Kaczmarczyk，Donna Matzov，永田崇，Moran Shalev-Benami，Oded Beja，井上圭一，神取秀樹，古谷祐詞
  • 学会等名: The 16th Annual Meeting of the Japan Society for Molecular Science
• [学会発表] 近赤外光吸収酵素ロドプシン（NeoR）の特異な光異性化反応 (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉浦雅大, 石川和季, 片山耕大, 住井裕司, 吉住玲, 角田聡, 古谷祐詞, 柴田哲男, Leonid S. Brown, 神取秀樹
  • 学会等名: 令和４年度新学術領域研究「高速分子動画」シンポジウム・領域会議
• [学会発表] 酵素ロドプシン(Rh-PDE)より発見された新規波長制御残基と応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉浦雅大、Manish Singh、 角田聡、神取秀樹
  • 学会等名: 日本生物物理学会中部支部 令和3年度中部支部講演会
• [学会発表] Molecular properties of novel Rh-PDEs (2021)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugiura, Satoshi P. Tsunoda, Masahiko Hibi, Hideki Kandori
  • 学会等名: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • 国際学会
• [学会発表] Photoreaction Dynamics of Rhodopsin Guanylate Cyclase (Rh-GC) (2021)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugiura, Satoshi Tsunoda, Haon Futamata, Wataru Shihoya, Osamu Nureki, Hideki Kandori, Yuji Furutani
  • 学会等名: The 59th annual meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] 時間分解赤外分光法を用いたロドプシングアニル酸シクラーゼ反応ダイナミクス解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugiura, Satoshi Tsunoda, Haon Futamata, Wataru Shihoya, Osamu Nureki, Hideki Kandori, Yuji Furutani
  • 学会等名: 令和三年度 新学術領域研究「高速分子動画」シンポジウム
• [学会発表] Photoreaction dynamics of enzyme rhodopsin (Rh-GC) using time-resolved infrared spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugiura, Satoshi Tsunoda, Haon Futamata, Wataru Shihoya, Osamu Nureki, Hideki Kandori, Yuji Furutani
  • 学会等名: The 15th Annual Meeting of Japan Society for Molecular Science 2021
• [学会発表] ロドプシンホスホジエステラーゼ（Rh-PDEｓ）から発見された新規吸収波長制御残基 (2021)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugiura, Satoshi P. Tsunoda, Masahiko Hibi, Hideki Kandori
  • 学会等名: 第61回生物物理若手の会 夏の学校 生物物理×◯◯ ~生命に迫る無限のアプローチ~
• [学会発表] Novel color turning residue discovered from enzyme rhodopsins (2021)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sugiura, Satoshi P. Tsunoda, Masahiko Hibi, Hideki Kandori
  • 学会等名: The 21st Annual Meeting of the Protein Science Society of Japan
• [学会発表] 酵素ロドプシン(Rh-PDE)より発見された新規波長制御残基 (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: 第1回 蛋白質科学会 若手の会交流会
• [図書] Optogenetics Light-Sensing Proteins and Their Applications in Neuroscience and Beyond (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiromu Yawo, Hideki Kandori, Amane Koizumi, Ryoichiro Kageyama (Satoshi P. Tsunoda, Masahiro Sugiura, Hideki Kandori)
  • 総ページ数: 663
  • 出版者: Springer Singapore
  • ISBN: 9789811587627
• [備考] 世界初 近赤外光を吸収する酵素ロドプシンにおける特異な光異性化経路を解明
  • URL: https://www.nitech.ac.jp/news/press/2022/9967.html
• [備考] ロドプシンの新たな波長制御残基の発見 ～波長制御メカニズムの解明と光遺伝学応用への期待～
  • URL: https://www.nitech.ac.jp/news/press/2023/10538.html
• [備考] 近赤外光吸収酵素ロドプシンであるNeoRの論文に関するプレスリリース
  • URL: https://www.nitech.ac.jp/news/press/2022/9967.html
• [備考] 2022年度 名古屋工業大学 学生研究奨励
  • URL: https://www.nitech.ac.jp/kikin/report/message/2022/s_kenkyu.html
• [備考] 第21回日本蛋白質科学会年会ポスター賞受賞報告
  • URL: https://www.nitech.ac.jp/campus/news/9111.html