光エネルギーで作動するナノイオンポンプの構造・機能解析

• 研究領域: 膜超分子モーターの革新的ナノサイエンス
• 研究課題/領域番号: 21023013
• 研究種目: 特定領域研究
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 井原 邦夫 名古屋大学, 遺伝子実験施設, 助教 (90223297)
• 研究分担者: 神山 勉 名古屋大学, 大学院・理学研究科, 教授 (30170210)
• 研究期間 (年度): 2009 – 2010
• 研究課題ステータス: 完了 (2010年度)
• 配分額: 6,400千円 (直接経費: 6,400千円); 2010年度: 3,200千円 (直接経費: 3,200千円); 2009年度: 3,200千円 (直接経費: 3,200千円)
• キーワード: 光駆動性イオンポンプ / X線結晶構造解析 / 塩素イオンポンプ / 好塩性古細菌 / 膜電位 / ハロロドプシン / 膜タンパク質 / レチナールタンパク / 塩素イオン / 立体構造 / イオンポンプ

研究概要

高度好塩性好アルカリ性古細菌の細胞膜には、光によって塩素イオンを能動的に菌体外から内側へと能動的に輸送するイオンポンプタンパク質、ハロロドプシン(phR)が存在する。phRの基底状態(pdb:3A7K)に加えて、今年度は、phRに結合している塩素イオンを取り除き、それを種々のイオンに置換して構造解析を行った。中性条件では、結晶をどのような溶液に置換しても塩素イオンを取り除く事は出来なかったが、結晶母液のpHを一度大きくアルカリ性にすることで塩素イオンが外れ、再度中性に戻す事で安定なイオンフリーのphRの結晶を得る事が出来た。この結晶を、種々の陰イオンを含んだ母液に浸すことで、塩素イオンが種々の陰イオンに置換したphRの結晶が得られる。イオンフリーの状態では、phRは長波長にシフトして青色になる。この状態の結晶構造(pdb:3QBG)は、結晶の格子定数が変化するほど大きな構造変化を伴っており、中でもCヘリックスは、最も大きく構造変化を起こしていた。塩素イオンと水素結合していたT126の側鎖は外側に移動し、塩素イオン取り込み経路上にあるE234の側鎖も大きな移動を伴っていた。イオンフリーのphRに、臭素イオン、硝酸イオン、アザイドを加えると、塩素イオンの添加時と同様に紫色に戻る。これらの構造は、イオン結合部位を除いて同じような構造をしていた。ただ、添加によって塩素イオンポンプが外向きのプロトンポンプになる事が報告されているアザイドイオンを結合した構造(pdb:3ABW)は、イオン結合部位での水分子の数が異なっていた。さらに、この状態においてアルカリ性で光照射する事により、シッフ塩基が外れたM中間体と考えられる吸収スペクトルが得られ、その構造解析からアザイドイオンが、E234の方向に移動している事が分かった。

研究成果

• [雑誌論文] A Microbial Rhodopsin with a Unique Retinal Composition Shows Both Sensory Rhodopsin II and Bacteriorhodopsin-like Properties (2011)
  • 著者名/発表者名: Sudo, Y, Ihara, K., Kobayashi, S., Suzuki, D., Irieda, H., Kikukawa, T., Kandori, H., Homma, M.
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 286 ページ: 5967-5976
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photochemistry of a putative new class of sensory rhodopsin (SRIII) coded by xop2 of Haloarcular marismortui (2011)
  • 著者名/発表者名: Nakao, Y., Kikukawa, T., Shimono, K., Tamogami, J., Kimitsuki, N., Nara, T., Unno, M., Ihara, K., Kamo, N.
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology 巻: 102 ページ: 45-54
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gene orders in the upstream of 16S rRNA genes divide genera of the family Halobacteriaceae into two groups (2011)
  • 著者名/発表者名: Minegishi, H., Kamekura, M., Kitajima-Ihara, T., Nakasone, K., Echigo, A., Shimane, Y., Usami, R., Itoh, T., Ihara, K.
  • 雑誌名: International Journal of Systematics and Evolutionary Microbiology
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spectroscopic studies of a sensory rhodopsin I homologue from the archaeon Haloarcula valhsmortis. (2010)
  • 著者名/発表者名: Yagasaki J, Suzuki D, Ihara K, Inoue K, Kikukawa T, Sakai M, Fujii M, Homma M, Kandori H, Sudo Y.
  • 雑誌名: Biochemistry 49 ページ: 1183-1190
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal structure of the light-driven chloride pump halorhodopsin from Natronomonas pharaonis. (2010)
  • 著者名/発表者名: Kouyama T, Kanada S, Takeguchi Y, Narusawa A, Murakami M, Ihara K.
  • 雑誌名: Journal of Molecular Biology 396巻 ページ: 564-579
  • 査読あり
• [雑誌論文] Halorubrum chaoviator sp. nov., a haloarchaeon isolated from sea salt in Baja California, Mexico, Western Australia and Naxos, Greece. (2009)
  • 著者名/発表者名: Mancinelli RL, Landheim R, Sanchez-Porro C, Dornmayr-Pfaffenhuemer M, Gruber C, Legat A, Ventosa A, Radax C, Ihara K, White MR, Stan-Lotter H.
  • 雑誌名: Int J Syst Evol Microbiol. 59巻 ページ: 1669-1673
  • 査読あり
• [学会発表] ハロロドプシンの立体構造と塩素イオン輸送活性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 井原邦夫、金田創運、北島-井原智美、神山勉
  • 学会等名: 第36回 日本生体エネルギー研究会/特定領域「革新ナノバイオ」合同シンポジウム
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2010-11-18
• [学会発表] sRIII : A new class of retinal protein found in the genus Haloarcula (2010)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Kitajima-Ihara, Naoki Kamo, K.Ihara
  • 学会等名: 第48回 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2010-09-22
• [学会発表] A novel lid structure found in Natronomonas pharaonis halorhodopsin. (2010)
  • 著者名/発表者名: Kunio Ihara, Soun Kanada, Tomomi Kitajima-Ihara, Tsutomu Kouyama
  • 学会等名: 第48回 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2010-09-21
• [学会発表] Comparative study of archaeal light driven prton pumps for functional expression in Escherichia coli. (2010)
  • 著者名/発表者名: Kunio Ihara, Soun Kanada, Tomomi Kitajima-Ihara, Tsutomu Kouyama
  • 学会等名: 第14回レチナール蛋白質国際会議
  • 発表場所: サンタクルツ(アメリカ)
  • 年月日: 2010-08-07
• [学会発表] Natronomonas pharaonisのハロロドプシンに存在する蓋構造は塩素イオンの取り込みを制御している (2010)
  • 著者名/発表者名: 井原邦夫、北島-井原智美、金田創運、神山勉
  • 学会等名: 特定領域「超分子モーターの革新的ナノサイエンス」第5回班会議
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2010-06-25
• [学会発表] 高度好塩性好アルカリ性古細菌Natronomonas pharaonisのhR大量発現株の性質 (2009)
  • 著者名/発表者名: 井原邦夫, 成澤明洋, 丸山恵太、竹口優, 神山勉
  • 学会等名: 第22回 日本Archaea研究会
  • 発表場所: 札幌
• [学会発表] バクテリオロドプシンとハロロドプシンを発現している大腸菌の比較生理学 (2009)
  • 著者名/発表者名: 井原邦夫、神山勉
  • 学会等名: 第47回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 徳島
• [学会発表] 高度好塩性好アルカリ性古細菌Natronomonas pharaonisの光駆動性塩素イオンポンプハロロドプシンの立体構造解析 (2009)
  • 著者名/発表者名: 井原邦夫、金田創運、神山勉
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会 第35回討論会
  • 発表場所: 旭川