光駆動型内向きプロトンポンプの輸送メカニズム解明とオプトジェネティクスへの応用

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H03007
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 井上 圭一 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90467001)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: ロドプシン / 内向きプロトンポンプ / オプトジェネティクス / レーザー分光 / レチナール

研究実績の概要

2020年度は、前年度に新たに発見したアスガルドアーキアおよび海洋性微生物由来の内向きH+ポンプであるシゾロドプシン（SzR）について、より詳細な輸送メカニズムの解明のため、東京大学・大学院理学研究科・濡木研究室との共同研究により、X線結晶構造解析に取り組んだ。その結果アスガルドアーキア由来のSzRの一つ（SzR4）について、結晶を得ることに成功し、さらにそれを用いたX線結晶回折実験によって2.1オングストロームの分解能でSzR4の三次元構造を得ることに成功した。その結果SzR4の構造はバクテリオロドプシンなどのType-1型の微生物ロドプシンに近いことが明らかとなった。SzRは進化的にType-1型の微生物ロドプシンとヘリオロドプシンの中間に位置すると考えられているが、この構造の類似性からSzRもType-1型の微生物ロドプシンの１種であることが明らかとなった。またSzR4は膜貫通へリックスのうち３本（TM2、TM6およびTM7）の細胞質側が一般的な微生物ロドプシンと比べて短くなっていることが見出された。これまでの研究により、SzRは本研究課題のもう一つの研究対象で、別種の内向きH+ポンプであるPoXeRと異なり、レチナールから細胞質側の溶液へ直接H+が放出されることが示唆されていたが、今回のSzR4の構造はその原因が上記のへリックスの細胞質側が短く、H+アクセプターであるGlu81が細胞質側の溶媒に近いことにあることを示すものである。また構造情報と網羅的なアミノ酸変異体作製により、SzRのイオン輸送に重要な残基の大部分はTM3上に分布し、これらがイオン輸送経路を形成することが明らかとなった。SzRは長波長吸収型と、短波長吸収型の２種類があることが知られているが、主にSzR4のAsn100およびVal103の位置のアミノ酸の違いによりこの違いが生まれていることを示した。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] イスラエル工科大学(イスラエル)
  • 国名: イスラエル
  • 外国機関名: イスラエル工科大学
• [国際共同研究] チェコ科学アカデミー(チェコ)
  • 国名: チェコ
  • 外国機関名: チェコ科学アカデミー
• [雑誌論文] TAT Rhodopsin is a UV-Dependent Environmental pH Sensor (2021)
  • 著者名/発表者名: Chihiro Kataoka, Teppei Sugimoto, Shunta Shigemura, Kota Katayama, Satoshi P. Tsunoda, Keiichi Inoue, Oded Beja, Hideki Kandori
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 60 ページ: 899-907
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.0c00951
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Exploration of Natural Red-shifted Rhodopsins Using a Machine Learning-based Bayesian Experimental Design (2021)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue, Masayuki Karasuyama, Ryoko Nakamura, Masae Konno, Daichi Yamada, Kentaro Mannen, Takashi Nagata, Yu Inatsu, Hiromu Yawo, Kei Yura, Oded Beja, Hideki Kandori, Ichiro Takeuchi
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 ページ: 362
  • DOI: 10.1038/s42003-021-01878-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Time-Resolved Serial Femtosecond Crystallography Reveals Early Structural Changes in Channelrhodopsin (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Oda, T. Nomura, T. Nakane, K. Inoue, S. Ito, J. Vierock, ... R. Ishitani, S. Hayashi, H. Kandori, P. Hegemann, S. Iwata, M. Kubo, T. Nishizawa, O. Nureki
  • 雑誌名: eLife 巻: 10 ページ: e62389
  • DOI: 10.7554/eLife.62389
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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 ページ: e2016328118
  • DOI: 10.1073/pnas.2016328118
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gate-Keeper of Ion Transport - a Highly Conserved Helix-3 Tryptophan in a Channelrhodopsin Chimera, C1C2/ChRWR (2020)
  • 著者名/発表者名: Yujiro Nagasaka, Shoko Hososhima, Naoko Kubo, Takashi Nagata, Hideki Kandori, Keiichi Inoue, Hiromu Yawo
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 17 ページ: 59-70
  • DOI: 10.2142/biophysico.BSJ-2020007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Excitonic Coupling Effect on the Circular Dichroism Spectrum of Sodium-Pumping Rhodopsin KR2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro J. Fujimoto, Keiichi Inoue
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 153 ページ: 45101
  • DOI: 10.1063/5.0013642
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Active Learning of Bayesian Linear Models with High-Dimensional Binary Features by Parameter Confidence-Region Estimation (2020)
  • 著者名/発表者名: Yu Inatsu, Masayuki Karasuyama, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Ichiro Takeuchi
  • 雑誌名: Neural Computation 巻: 32 ページ: 1998-2031
  • DOI: 10.1162/neco_a_01310
  • 査読あり
• [雑誌論文] Active Learning for Level Set Estimation Under Input Uncertainty and Its Extensions (2020)
  • 著者名/発表者名: Yu Inatsu, Masayuki Karasuyama, Keiichi Inoue, Ichiro Takeuchi
  • 雑誌名: Neural Computation 巻: 32 ページ: 2486-2531
  • DOI: 10.1162/neco_a_01332
  • 査読あり
• [雑誌論文] Shining light on rhodopsin selectivity: How do proteins decide whether to transport H+ or Cl-? (2020)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 雑誌名: The Journal of Biological Chemistry 巻: 295 ページ: 14805-14806
  • DOI: 10.1074/jbc.H120.016032
  • 査読あり
• [雑誌論文] Expression Analysis of Microbial Rhodopsin-like Genes in Guillardia theta (2020)
  • 著者名/発表者名: Masae Konno, Yumeka Yamauchi, Keiichi Inoue, Hideki Kandori
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 15 ページ: e0243387
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0243387
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] タンパク質のボトムアップ機能向上への機械学習法の応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: ISSPワークショップ「物性科学におけるデータ科学の今と未来」
  • 招待講演
• [学会発表] Photobiology of new microbial rhodopsins (2021)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: BPS - Biophysical Society 65th Annual Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 新奇な微生物型ロドプシンの光機能およびその光反応メカニズム (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 第3回晝間輝夫光科学賞・令和2年度研究助成金贈呈式
  • 招待講演
• [学会発表] 光駆動タンパク質ロドプシンの分子機能エンジニアリング (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 第72回日本生物工学会大会・シンポジウム「ボトムアップ生物工学」
  • 招待講演
• [学会発表] 微生物ロドプシンの機能と色の制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会・シンポジウム「Biomolecular Design to Control Their Functions」
  • 招待講演
• [学会発表] Mutational analysis of the mechanism of an absorption red shift in a marine bacterial Cl--pumping rhodopsin (2020)
  • 著者名/発表者名: 永田 崇、烏山 昌幸、竹内 一郎、中島 悠、吉澤 晋、井上 圭一
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Development of a light regulatory system of membrane potential in plant cells (2020)
  • 著者名/発表者名: 今野 雅恵、八尾 寛、神取 秀樹、井上 圭一
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
• [学会発表] The gate-keeper role of a highly conserved helix-3 tryptophan for ion transport of the channelrhodopsin chimera, C1C2/ChRWR (2020)
  • 著者名/発表者名: 長坂 勇次郎、細島 頌子、神取 秀樹、井上 圭一、八尾 寛
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Biophysical characterization of different members of TAT rhodopsins: a new group of microbial rhodopsins (2020)
  • 著者名/発表者名: 萬年 健太郎、永田 崇、Oded Beja、井上 圭一
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Sir Martin Wood Prize Lecture: The emerging world of microbial rhodopsins in photobiology (2020)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: MPI-FKF Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sir Martin Wood Prize Lecture: The emerging world of microbial rhodopsins in photobiology (2020)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: MRC LMB Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 光駆動型内向きプロトンポンプ、シゾロドプシンのプロトン輸送メカニズム (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一、志甫谷 渉、今野 雅恵、樋口 晶光、但馬 聖也、古谷 祐詞、川﨑 佑真、永田 崇、八尾 寛、川村 出、神取 秀樹、濡木 理
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 光駆動型内向きH+ポンプ型シゾロドプシンのH+輸送メカニズムの分光及び構造研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一、志甫谷 渉、今野 雅恵、樋口 晶光、但馬 聖也、古谷 祐詞、川﨑 佑真、永田 崇、八尾 寛、川村 出、神取 秀樹、濡木 理
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第46回討論会
• [学会発表] 海洋性細菌のCl-ポンプロドプシンにおける波長制御メカニズムの変異体解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 永田 崇、烏山 昌幸、中島 悠、吉澤 晋、竹内 一郎、井上 圭一
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第46回討論会
• [学会発表] TATロドプシンのpKaと多量体形成の制御における保存されたグルタミン酸の役割 (2020)
  • 著者名/発表者名: 萬年 健太郎、永田 崇、戸叶 貴也、内橋 貴之、Oded Beja、井上 圭一
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第46回討論会
• [学会発表] 微生物ロドプシンの吸収波長の自在制御に向けた機械学習法の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 日本バイオインダストリー協会・発酵と代謝研究会勉強会
  • 招待講演
• [学会発表] アスガルド古細菌の持つ新奇光駆動型内向きプロトンポンプ、シゾロドプシンの輸送メカニズム (2020)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一、志甫谷 渉、今野 雅恵、樋口 晶光、但馬 聖也、古谷 祐詞、川﨑 佑真、永田 崇、八尾 寛、川村 出、神取 秀樹、濡木 理
  • 学会等名: 日本化学会 第101春季年会 (2021)
• [図書] Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications in Neuroscience and Beyond (2021)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 総ページ数: 37
  • 出版者: Springer Nature
  • ISBN: 978-981-15-8763-4
• [備考] 東京大学物性研究所・井上研究室
  • URL: https://inoue.issp.u-tokyo.ac.jp/
• [備考] アスガルドアーキアの持つ、光エネルギーを使って 水素イオンを取込むタンパク質の構造を解明
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=12891