光駆動型イオンポンプ：ハロロドプシンのクロライド輸送素過程の解明

• 研究課題/領域番号: 23510251
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生物分子科学
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 菊川 峰志 北海道大学, 先端生命科学研究科(研究院), 講師 (20281842)
• 研究分担者: 宮内 正二 東邦大学, 薬学部, 教授 (30202352)
• 連携研究者: 田母神 淳 松山大学, 薬学部, 助教 (30580089)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2013
• 研究課題ステータス: 完了 (2013年度)
• 配分額: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2013年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2012年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2011年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: ハロロドプシン / フォトサイクル / アニオンポンプ / 膜蛋白質 / レチナール / イオンポンプ

研究概要

高度好塩菌がもつハロロドプシン（HR）は、光駆動型のCl-ポンプ膜蛋白質である。光を吸収すると複数の中間体を経由する光反応サイクルをまわり、この間に１個のCl-を細胞の外側から内側へ輸送する。本研究では、Cl-輸送素過程の解析を行い、以下の成果を得た。１）Cl－の細胞質側への放出と細胞外側からの取り込みは、O中間体の生成と崩壊に同期して起こる。後続のNpHR’中間体の崩壊時には、取り込まれたCl－の初期結合サイトへの移動が起こる。２）Cl－放出時に起こる過渡的なCl－への親和性低下は、細胞膜電位が存在する生理的環境においても、Cl－輸送活性を高く維持するために必要である。

研究成果

• [雑誌論文] Role of Thr218 in the Light-Driven Anion Pump Halorhodopsin from Natronomonas pharaonis (2013)
  • 著者名/発表者名: Shibasaki, K., Shigemura, H., Kikukawa, T., Kamiya, M., Aizawa, T., Kawano, K., Kamo, N., Demura, M
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 52 号: 51 ページ: 9257-9268
  • DOI: 10.1021/bi401295e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermodynamic parameters of anion binding to halorhodopsin from Natronomonas pharaonis by isothermal titration calorimetry (2013)
  • 著者名/発表者名: Hayashi, Saori
  • 雑誌名: Biophysical Chemistry 巻: 172 ページ: 61-67
  • DOI: 10.1016/j.bpc.2013.01.001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Physicochemical Studies of Bacteriorhodopsin Reconstituted in Partially Fluorinated Phosphatidylcholine Bilayers (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshino, M., Kikukawa, T., Takahashi, H., Takagi, T., Yokoyama, Y., Amii, H., Baba, T., Kanamori, T., Sonoyama, M.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 117 号: 18 ページ: 5422-5429
  • DOI: 10.1021/jp311665z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exporing the active site site structure of a photoreceptor protein by raman optical activity (2013)
  • 著者名/発表者名: Unno Masashi, kikukawa takashi, Kumauchi Masato, Kamo Naoki
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry. 巻: 117巻 号: 5 ページ: 1321-325
  • DOI: 10.1021/jp4001187
  • 査読あり
• [雑誌論文] Salt bridge in the conserved His-Asp cluster in Gloeobacter rhodopsin contributes to trimer formation (2013)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto, T., Kikukawa, T., Kurata, T., Jung, K-H, Kamo, N., Demura, M.
  • 雑誌名: FEBS Lett. 巻: 587 号: 4 ページ: 322-327
  • DOI: 10.1016/j.febslet.2012.12.022
  • NAID: 120005228320
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamics of Dangling Bonds of Water Molecules in pharaonis Halorhodopsin during Chloride Ion Transportation (2012)
  • 著者名/発表者名: Furutani, Y., Fujiwara, K., Kimura, T., Kikukawa, T., Demura, M., Kandori, H
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett 巻: 3 号: 20 ページ: 2964-2969
  • DOI: 10.1021/jz301287n
  • 査読あり
• [雑誌論文] Homo-trimer Formation and Dissociation of pharaonis Halorhodopsin in Detergent System (2012)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto, T., Sasaki, T., Fujimoto, K. J., Kikukawa, T., Kamiya, M., Aizawa, T., Kawano, K., Kamo, N., Demura, M
  • 雑誌名: Biophys. J 巻: 102 号: 12 ページ: 2906-2915
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2012.05.008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoinduced proton release in proteorhodopsin at low pH: The possibility of a decrease in the pKa of Asp227 (2012)
  • 著者名/発表者名: Tamogami Jun, Kikukawa Takashi, NaraToshifumi , Shimono Kazumi, Demura Makoto, Kamo Naoki
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 51巻 号: 46 ページ: 9290-9301
  • DOI: 10.1021/bi300940p
  • 査読あり
• [雑誌論文] "The influence of halide binding on the hydrogen bonding network in the active site of Salinibacter sensory rhodopsin I" (2012)
  • 著者名/発表者名: L. Reissig, T. Iwata, T. Kikukawa, M. Demura, N. Kamo, H. Kandori and Y. Sudo
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 51 号: 44 ページ: 8802-8813
  • DOI: 10.1021/bi3009592
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photo-induced bleaching of sensory rhodopsin II (phoborhodopsin) from Halobacteium salinarum by hydroxylamine (2012)
  • 著者名/発表者名: Tamogami Jun
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology B 巻: 106 ページ: 87-94
  • DOI: 10.1016/j.jphotobiol.2011.10.009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Expression of salinarum halorhodopsin in Escherichia coli cells : Solubilization in the presence of retinal yields the natural state (2011)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Yasutaka
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta-Biomembranes 巻: 1808 号: 12 ページ: 2905-2912
  • DOI: 10.1016/j.bbamem.2011.08.035
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photochemistry of acetabularia rhodopsin II from a marine plant, Aceta bularia acetabulum (2011)
  • 著者名/発表者名: Kikukawa Takashi
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 50 号: 41 ページ: 8888-8898
  • DOI: 10.1021/bi2009932
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal structure of the Eukaryotic light-driven proton-pumping rhodopsin, Acetabularia rhodopsin II from Marine Algae (2011)
  • 著者名/発表者名: Wada Takashi
  • 雑誌名: Journal of Molecular Biology 巻: 411 号: 5 ページ: 986-998
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2011.06.028
  • 査読あり
• [学会発表] 二量体化した Di-O-Tetradecylphosphatidylcholine への膜タンパ ク質バクテリオロドプシンの再構成 (2014)
  • 著者名/発表者名: 土田直之、高木俊之、菊川峰志、高橋 浩、金森敏幸、園山正史
  • 学会等名: 日本化学会第94春季年会
  • 発表場所: 名古屋大学（名古屋市）
• [学会発表] Analysis of Cl-release and uptake steps of light-driven Cl-pump Natronomonas pharaonis halorhodopsin (2013)
  • 著者名/発表者名: Kikukawa, T
  • 学会等名: 第51回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 国立京都国際会館(京都市)
  • 年月日: 2013-10-29
• [学会発表] Role of Thr218 in light-driven Cl- pump mechanism of Natronomonas pharaonis halorhodopsin (2013)
  • 著者名/発表者名: Shibasaki, K
  • 学会等名: 第51回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 国立京都国際会館(京都市)
  • 年月日: 2013-10-29
• [学会発表] 部分フッ素化リン脂質・非フッ素化リン脂質二成分混合膜に再構成したバクテリオロドプシンの脂質選択性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 吉野 賢、菊川 峰志、高橋 浩、 高木 俊之、網井 秀樹、金森 敏幸、 園山 正史
  • 学会等名: 第13回に本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: とりぎん文化会館（鳥取市）
• [学会発表] 光駆動型 Cl- ポンプハロロドプシンの光反応サイクルにおける荷電性残基の役割 (2013)
  • 著者名/発表者名: 大塚 瞭、菊川 峰志、神谷 昌克、 相沢 智康、河野 敬一、加茂 直樹、 出村 誠
  • 学会等名: 第13回に本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: とりぎん文化会館（鳥取市）
• [学会発表] ハロロドプシンの光反応サイクルに現れる膜電位依存性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 日下部 力、菊川 峰志、神谷 昌克、 相沢 智康、河野 敬一、井原 邦夫、 加茂 直樹、出村 誠
  • 学会等名: 第13回に本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: とりぎん文化会館（鳥取市）
• [学会発表] Photochemical reaction in Acetabularia rhodopsin I (2013)
  • 著者名/発表者名: Tamogami, J., Kikukawa, T., Shimono, K., Kimura-Someya, T., Shirouzu, M., Yokoyama, S., Kamo, N.
  • 学会等名: 第51回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 国立京都国際会館（京都市）
• [学会発表] Analysis of Cl- release and uptake steps of light-driven Cl- pump Natronomonas pharaonis halorhodopsin (2013)
  • 著者名/発表者名: Kikukawa, T., Kusakabe, C., Kokubo, A., Tsukamoto, T., Kamiya, M., Aizawa, T., Ihara, K., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 第51回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 国立京都国際会館（京都市）
• [学会発表] Role of Thr218 in light-driven Cl- pump mechanism of Natronomonas pharaonis halorhodopsin (2013)
  • 著者名/発表者名: Shibasaki, K., Shigemura, H., Kikukawa, T., Kamiya, M., Aizawa, T., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 第51回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 国立京都国際会館（京都市）
• [学会発表] A Biophysical Study of Bacteriorhodopsin in Pseudocyclic Phosphatidylcholine Liposome (2013)
  • 著者名/発表者名: Sonoyama, M., Yoshioka, S., Tsuchida, N., Takagi, T., Takahashi, H., Kikukawa, T., Kanamori, T.
  • 学会等名: 第51回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 国立京都国際会館（京都市）
• [学会発表] Low affinity of bacteriorhodopsin to partially fluorinated phosphatidylcholine in reconstituted membrane (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshino, M., Kanayama, K., Kikukawa, T., Takagi, T., Takahashi, H., Yokoyama, Y., Amii, H., Kanamori, T., Somoyama, M.
  • 学会等名: 第51回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 国立京都国際会館（京都市）
• [学会発表] リン脂質リポソームに再構成したバクテリオロドプシンの構造・機能に対するアシル鎖部分フッ素化の影響 (2013)
  • 著者名/発表者名: 吉野賢、菊川峰志、高橋浩、高木俊之、横山泰範、網井秀樹、金森敏之、園山正史
  • 学会等名: 第64回コロイドおよび界面化学討論会
  • 発表場所: 名古屋工業大学（名古屋市）
• [学会発表] Native-like reconstitution of bacteriorhodopsin into novel partially fluorinated phosphatidylcholine lipid bilayer (2013)
  • 著者名/発表者名: Sonoyama, M., Yoshino, M., Kikukawa, T., Takahashi, H., Takagi, T., Yokoyama, Y., Amii, H., Kanamori, T.
  • 学会等名: The International Conference on Structural Genomics 2013
  • 発表場所: 京王プラザホテル（札幌市）
• [学会発表] 部分フッ素化リン脂質を含む二成分系リン脂質混合膜における 膜タンパク質バクテリオロドプシンの分配挙動 (2013)
  • 著者名/発表者名: 吉野賢、金山賢治、高橋浩、高木俊之、菊川峰志、横山泰範、網井秀樹、金森敏之、園山正史
  • 学会等名: 第40回生体分子科学討論会
  • 発表場所: 大阪大学（吹田市）
• [学会発表] When does halorhodopsin capture and release Cl-during photocycle? Examination by spectrum changes of an intrinsic voltage-sensitive dye, bacterioruberin (2012)
  • 著者名/発表者名: Kikukawa, T
  • 学会等名: 15th International Conference on Retinal Proteins
  • 発表場所: Monte Verita Congress Center(Swizarland)
• [学会発表] When does halorhodopsin capture and release Cl- during photocycle? Examination by spectrum changes of an intrinsic voltage-sensitive dye, bacterioruberin (2012)
  • 著者名/発表者名: Kikukawa, T., Kokubo, A., Tsukamoto, T., Ihara, K., Kamo, N., Demura, N.
  • 学会等名: 15th International Conference on Retinal Proteins
  • 発表場所: Monte Verita Congress Center(Swizarland)
• [学会発表] The effect of halide binding on the hydrogen bonding network in the active site of Salinibacter sensory rhodopsin I (2012)
  • 著者名/発表者名: Reissig, L., Iwata, T., Kikukawa, T., Demura, M., Kamo, N., Kandori, H., Sudo, Y.
  • 学会等名: 15th International Conference on Retinal Proteins
  • 発表場所: Monte Verita Congress Center(Swizarland)
• [学会発表] The Proton Release in Proteorhodopsin at Low pH: Decrease in pKa of Asp227 in the excited state (2012)
  • 著者名/発表者名: Tamogami, J., Kikukawa, T., Nara, T., Shimono, K., Demura, M., Kamo, N.
  • 学会等名: 15th International Conference on Retinal Proteins
  • 発表場所: Monte Verita Congress Center(Swizarland)
• [学会発表] Homo-trimeric structure of Gloeobacter rhodopsin is regulated by the protonation state of Asp121, a counterion of the protonated Schiff base (2012)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto, T., Kikukawa, T., Kurata, T., Jung, K-H., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 15th International Conference on Retinal Proteins
  • 発表場所: Monte Verita Congress Center(Swizarland)
• [学会発表] Natronomonas pharaonis 由来のセンサリーロドプシンII の光誘起プロトン移動における塩化物イオンの役割 (2012)
  • 著者名/発表者名: Tamogami, J., Iwano, K., Matsuyama, A., Kikukawa, T., Demura, M., Shimono, K., Nara, T., Kamo, N.
  • 学会等名: 第50回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学（名古屋市）
• [学会発表] アナべナセンサリーロドプシンの光誘起プロトン移動反応の解析 (2012)
  • 著者名/発表者名: Hasemi, T., Kikukawa, T., Kamiya, M., Aizawa, T., Kawano, K., Jung, K-H., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 第50回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学（名古屋市）
• [学会発表] グロエオバクターロドプシンの三量体形成に関する研究 (2012)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto, T., Kikukawa, T., Kamiya, M., Aizawa, T., Kawano, K., Jung, K-H., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 第50回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学（名古屋市）
• [学会発表] 時間分解赤外分光法によるファラオニスハロロドプシンの機能発現過程での水の水素結合ダイナミクス (2012)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara, K., Kimura, T., Kikukawa, T., Demura, M., Kandori, H., Furutani, Y.
  • 学会等名: 第50回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学（名古屋市）
• [学会発表] 部分フッ素化ホスファチジルコリン小胞に再構成されたバクテリオロドプシンの液晶相における分子集合体 (2012)
  • 著者名/発表者名: Yoshino, M., Kanayama, K., Kikukawa, T., Takagi, T., Takahashi, H., Baba, T., Kanamori, T., Sonoyama, M.
  • 学会等名: 第50回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学（名古屋市）
• [学会発表] Laser flash photolysis study on the decay kinetics of the Mphotointermediate of bacteriorhodopsin in diheptanoylphosphocholine micelles (2012)
  • 著者名/発表者名: Sonoyama, M., Kuwabara, Y., Kikukawa, T.
  • 学会等名: 第50回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学（名古屋市）
• [学会発表] 三次元固体NMR 法による膜タンパク質ハロロドプシンの研究 (2012)
  • 著者名/発表者名: 田巻初, 江川文子, 神谷昌克, 菊川峰志, 相沢智康, 河野敬一, 藤原敏道, 出村誠
  • 学会等名: 第12回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（名古屋市）
• [学会発表] 短鎖リン脂質ジヘプタノイルホスファチジルコリンを用いた可溶化による膜タンパク質バクテリオロドプシンAsp96 のpKa の変化 (2012)
  • 著者名/発表者名: 園山正史, 桑原由美子, 菊川峰志
  • 学会等名: 第12回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（名古屋市）
• [学会発表] ハロロドプシンの光反応サイクル中に起こるカロテノイドの吸光度変化 (2012)
  • 著者名/発表者名: 菊川峰志,小久保麻実, 塚本卓, 井原邦夫, 加茂直樹, 出村誠
  • 学会等名: 第12回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（名古屋市）
• [学会発表] APPLICATION OF NOVEL PARTIALLY FLUORINATED PHOSPHOLIPID: RECONSTITUTION OF MEMBRANE PROTEIN BACTERIORHODOPSIN INTO LIPOSOME (2012)
  • 著者名/発表者名: Sonoyama, M., Yoshino, M., Takagi, T., Kikukawa, T., Takahashi, H., Baba, T., Kanamori, T.
  • 学会等名: 20th International symposium on fluorine chemistry
  • 発表場所: 京都テルサ（京都市）
• [学会発表] Volume change during the Cl- transport of Natronomonas pharaonis halorhodopsin (2011)
  • 著者名/発表者名: Shibasaki, K
  • 学会等名: 第49回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 兵庫県立大学(姫路市)
  • 年月日: 2011-09-16
• [学会発表] 海洋細菌由来のロドプシン様タンパク質プロテオロドプシンの低pH条件下における速いプロトン放出機構
  • 著者名/発表者名: 田母神淳，菊川峰志，下野和実，奈良敏文，宗行英朗，加茂直樹
  • 学会等名: 日本薬学会第132年会
  • 発表場所: 北海道大学（札幌市）
• [学会発表] 非線形サンプリングを用いた膜タンパク質の固体NMR測定
  • 著者名/発表者名: 田巻初，江川文子，松木陽，神谷昌克，菊川峰志，相沢智康，河野敬一，藤原敏道，出村誠
  • 学会等名: 第11回蛋白質科学会年会
  • 発表場所: ホテル阪急エキスポパーク（大阪府
• [学会発表] キサントロドプシンの光誘起プロトン移動の解析
  • 著者名/発表者名: 菊川峰志，佐藤由美，田母神淳，下野和実，神谷昌克，相沢智康，河野敬一，出村誠，加茂直樹
  • 学会等名: 第11回蛋白質科学会年会
  • 発表場所: ホテル阪急エキスポパーク（大阪府）
• [学会発表] Volume change during the Cl- transport of Natronomonas pharaonis halorhodopsin
  • 著者名/発表者名: 柴崎宏介，菊川峰志，神谷昌克，相沢智康，河野敬一，加茂直樹，出村誠
  • 学会等名: 第49回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 兵庫県立大学（姫路市）
• [学会発表] The fast proton release of proteorhodopsin at low pH
  • 著者名/発表者名: 田母神淳，菊川峰志，下野和実，奈良敏文，宗行英朗，加茂直樹
  • 学会等名: 第49回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 兵庫県立大学（姫路市）
• [学会発表] Role of Ser171 for the stabilization of NpHR trimer
  • 著者名/発表者名: 塚本卓，寺田浩太，中川摩里恵，田巻初，神谷昌克，菊川峰志，相沢智康，河野敬一，出村 誠
  • 学会等名: 第49回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 兵庫県立大学（姫路市）
• [学会発表] Reconstitution of bacteriorhodopsin into partially fluorinated phosphatidylcholine liposomes
  • 著者名/発表者名: 吉野賢，菊川峰志，横山泰範，高木俊之，高橋浩，出村誠，馬場照彦，金森敏幸，園山正史
  • 学会等名: 第49回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 兵庫県立大学（姫路市）
• [学会発表] Decay kinetics of the M photointermediate of bacteriorhodopsin in short chain phosphatidylcholine micelles
  • 著者名/発表者名: 桑原由美子，福元美奈，菊川峰志，出村誠，園山正史
  • 学会等名: 第49回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 兵庫県立大学（姫路市）
• [学会発表] 短鎖リン脂質ジヘプタノイルホスファチジルコリンミセル中の膜タンパク質バクテリオロドプシンの不均一性
  • 著者名/発表者名: 桑原由美子，菊川峰志，出村誠，園山正史
  • 学会等名: 日本化学会第92春季年会
  • 発表場所: 慶應義塾大学（横浜市）
• [学会発表] STRUCTURE AND FUNCTION OF BACTERIORHODOPSIN RECONSTITUTED INTO PARTIALLY FLUORINATED PHOSPHATIDYLCHOLINE LIPOSOME
  • 著者名/発表者名: Yoshino, M, Kikukawa, T., Takagi, T., Yokoyama, Y., Takahashi, H., Baba, T., Kanamori, T., Demura, M., Sonoyama, M.
  • 学会等名: 「揺らぎと生体機能」第５回公開シンポジウム
  • 発表場所: 東大寺総合文化センター（奈良市）
• [図書] -光工学と遺伝学による行動制御技術の最前線- (2013)
  • 著者名/発表者名: 出村誠, 菊川峰志, 加茂直樹
  • 出版者: エヌ・ティー・エス, オプトジェネティクス
• [図書] オプトジェネティクス－光工学と遺伝学による行動制御技術の最前線－ (2013)
  • 著者名/発表者名: 出村誠, 菊川峰志, 加茂直樹
  • 出版者: エヌ・ティー・エス
• [図書] Photo-induced Proton Transfers of Microbial Rhodopsins, In Molecular Photochemistry - Various Aspects (Dr. Satyen Saha, Ed.) (2012)
  • 著者名/発表者名: Kikukawa, T., Tamogami, J., Shimono, K., Demura, M., Nara, T., Kamo, N.
  • 出版者: InTech