ロドプシンの多彩な機能をもたらす構造ダイナミクスの解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03986
• 研究機関: 名古屋工業大学
• 研究代表者: 神取 秀樹 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70202033)
• 研究分担者: 井上 圭一 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90467001)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 構造ダイナミクス / 新規ロドプシン / 光反応サイクル / 赤外分光 / 水素結合

研究実績の概要

我々は2013年以降、それまでに予想もされていなかった微生物由来の新規ロドプシンの存在を次々に報告し、光駆動ナトリウムポンプについては立体構造も決定した。その結果、微生物ロドプシンは共通の構造と光反応を持つにも関わらず、実に多彩な機能を示すことがわかってきた。本研究では、構造と機能をつなぐタンパク質の構造ダイナミクスを明らかにすることで、共通構造から多彩な機能が生じる機構を解明することを計画した。研究では、低温法、時間分解法、全反射法などの手法を駆使して光反応中間体におけるレチナールやタンパク質部分、内部結合水の構造変化を明らかにすることで、種々のロドプシンにおけるメカニズムを明らかにすることを目指した。最終年度となる2020年度は以下の成果が得られた。
光駆動ナトリウムポンプについては、ラマン散乱分光を用いた共同研究により、ナトリウムイオン結合に伴うアロステリックな構造変化を明らかにするとともに、低温赤外分光を用いたレチナール近傍の水分子を含む水素結合ネットワークの解明に成功した。
我々が世界で始めて発見した内向きプロトンポンプについては、研究期間内に見出した新規ロドプシンであるシゾロドプシンも内向きプロトンポンプであることを明らかにした。そして低温赤外分光を用いてプロトン移動のメカニズムに関する報告を行った。
我々が2017年に発見した酵素ロドプシン・Rh-PDEについては、新規タンパク質の活性や波長制御メカニズムを報告するとともに、結晶構造解析の共同研究により立体構造モデルを発表した。光がどのように酵素の活性を駆動するのか、その構造ダイナミクスに関する重要な知見が得られたのである。
ヘリオロドプシンは、共同研究により変異体の立体構造を決定するとともに、全反射赤外分光を用いた解析により、亜鉛が特異的に結合することがわかった。未知である機能に影響を与えることが示唆された。

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] Israel Inst. Tech.(イスラエル)
  • 国名: イスラエル
  • 外国機関名: Israel Inst. Tech.
• [国際共同研究] Babe-Bolyai University(ルーマニア)
  • 国名: ルーマニア
  • 外国機関名: Babe-Bolyai University
• [国際共同研究] Academy of Sciences(チェコ)
  • 国名: チェコ
  • 外国機関名: Academy of Sciences
• [国際共同研究] University of Guelph(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: University of Guelph
• [雑誌論文] History and Perspectives of Ion-Transporting Rhodopsins (2021)
  • 著者名/発表者名: Kandori Hideki
  • 雑誌名: Adv. Exp. Med. Biol. 巻: 1293 ページ: 3～19
  • DOI: 10.1007/978-981-15-8763-4_1
  • 査読あり
• [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
  • 査読あり
• [雑誌論文] Light-induced difference FTIR spectroscopy of primate blue-sensitive visual pigment at 163 K (2021)
  • 著者名/発表者名: Hanai Shunpei、Katayama Kota、Imai Hiroo、Kandori Hideki
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 18 ページ: 40～49
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v18.005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Specific residues in the cytoplasmic domain modulate photocurrent kinetics of channelrhodopsin from Klebsormidium nitens (2021)
  • 著者名/発表者名: Tashiro Rintaro、Sushmita Kumari、Hososhima Shoko、Sharma Sunita、Kateriya Suneel、Kandori Hideki、Tsunoda Satoshi P.
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 ページ: 235
  • DOI: 10.1038/s42003-021-01755-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] TAT Rhodopsin Is an Ultraviolet-Dependent Environmental pH Sensor (2021)
  • 著者名/発表者名: Kataoka Chihiro、Sugimoto Teppei、Shigemura Shunta、Katayama Kota、Tsunoda Satoshi P.、Inoue Keiichi、Beja Oded、Kandori Hideki
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 60 ページ: 899～907
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.0c00951
  • 査読あり / オープンアクセス / 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: Inoue Keiichi、Karasuyama Masayuki、Nakamura Ryoko、Konno Masae、Yamada Daichi、Mannen Kentaro、Nagata Takashi、Inatsu Yu、Yawo Hiromu、Yura Kei、Beja Oded、Kandori Hideki、Takeuchi Ichiro
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 ページ: 362
  • DOI: 10.1038/s42003-021-01878-9
  • 査読あり / 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: Oda Kazumasa、Nomura Takashi、Nakane Takanori、Yamashita Keitaro、Inoue Keiichi、Ito Shota、Vierock Johannes、Hirata Kunio、Maturana Andres D、Katayama Kota、( 32 authers )、Kandori Hideki、Hegemann Peter、Iwata So、Kubo Minoru、Nishizawa Tomohiro、Nureki Osamu
  • 雑誌名: eLife 巻: 10 ページ: e62389
  • DOI: 10.7554/eLife.62389
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Schizorhodopsins: A family of rhodopsins from Asgard archaea that function as light-driven inward H+ pumps (2020)
  • 著者名/発表者名: Inoue Keiichi、Tsunoda Satoshi P.、Singh Manish、Tomida Sahoko、Hososhima Shoko、Konno Masae、Nakamura Ryoko、Watanabe Hiroki、Bulzu Paul-Adrian、Banciu Horia L.、Andrei Adrian-?tefan、Uchihashi Takayuki、Ghai Rohit、B?j? Oded、Kandori Hideki
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 6 ページ: eaaz2441
  • DOI: 10.1126/sciadv.aaz2441
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular Properties of New Enzyme Rhodopsins with Phosphodiesterase Activity (2020)
  • 著者名/発表者名: Sugiura Masahiro、Tsunoda Satoshi P.、Hibi Masahiko、Kandori Hideki
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 5 ページ: 10602～10609
  • DOI: 10.1021/acsomega.0c01113
  • 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: Nagasaka Yujiro、Hososhima Shoko、Kubo Naoko、Nagata Takashi、Kandori Hideki、Inoue Keiichi、Yawo Hiromu
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 17 ページ: 59～70
  • DOI: 10.2142/biophysico.BSJ-2020007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanism of Inward Proton Transport in an Antarctic Microbial Rhodopsin (2020)
  • 著者名/発表者名: Harris Andrew、Lazaratos Michalis、Siemers Malte、Watt Ethan、Hoang Anh、Tomida Sahoko、Schubert Luiz、Saita Mattia、Heberle Joachim、Furutani Yuji、Kandori Hideki、Bondar Ana-Nicoleta、Brown Leonid S.
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 124 ページ: 4851～4872
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c02767
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unique Retinal Binding Pocket of Primate Blue-Sensitive Visual Pigment (2020)
  • 著者名/発表者名: Nonaka Yuki、Hanai Shunpei、Katayama Kota、Imai Hiroo、Kandori Hideki
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 59 ページ: 2602～2607
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.0c00394
  • 査読あり
• [雑誌論文] Infrared spectroscopic analysis on structural changes around the protonated Schiff base upon retinal isomerization in light-driven sodium pump KR2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomida Sahoko、Ito Shota、Mato Tomoya、Furutani Yuji、Inoue Keiichi、Kandori Hideki
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 巻: 1861 ページ: 148190～148190
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148190
  • 査読あり
• [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: Inatsu Yu、Karasuyama Masayuki、Inoue Keiichi、Kandori Hideki、Takeuchi Ichiro
  • 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] Disruption of Hydrogen-Bond Network in Rhodopsin Mutations Cause Night Blindness (2020)
  • 著者名/発表者名: Katayama Kota、Takeyama Yuri、Enomoto Akiko、Imai Hiroo、Kandori Hideki
  • 雑誌名: Journal of Molecular Biology 巻: 432 ページ: 5378～5389
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2020.08.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural basis for unique color tuning mechanism in heliorhodopsin (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Tatsuki、Singh Manish、Shihoya Wataru、Yamashita Keitaro、Kandori Hideki、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 533 ページ: 262～267
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.06.124
  • 査読あり
• [雑誌論文] ATP binding promotes light-induced structural changes to the protein moiety of Arabidopsis cryptochrome 1 (2020)
  • 著者名/発表者名: Iwata Tatsuya、Yamada Daichi、Mikuni Katsuhiro、Agata Kazuya、Hitomi Kenichi、Getzoff Elizabeth D.、Kandori Hideki
  • 雑誌名: Photochemical & Photobiological Sciences 巻: 19 ページ: 1326～1331
  • DOI: 10.1039/D0PP00003E
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Zinc Binding to Heliorhodopsin (2020)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto Masanori、Katayama Kota、Furutani Yuji、Kandori Hideki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 11 ページ: 8604～8609
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c02383
  • 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 Tatsuya、Shihoya Wataru、Sugiura Masahiro、Yoshida Kazuho、Watari Masahito、Tokano Takaya、Yamashita Keitaro、Katayama Kota、Tsunoda Satoshi P.、Uchihashi Takayuki、Kandori Hideki、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 ページ: 5605
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19376-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Expression analysis of microbial rhodopsin-like genes in Guillardia theta (2020)
  • 著者名/発表者名: Konno Masae、Yamauchi Yumeka、Inoue Keiichi、Kandori Hideki
  • 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 / 国際共著
• [学会発表] ビブリオ属PRにおける極端な酸性pHで起こる波長制御機構の探究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 澄川瑞季、吉住玲、神取秀樹
  • 学会等名: 第8回将来を見据えた生体分子の構造・機能解析から分子設計に関する研究会
• [学会発表] TATロドプシンのT82D変異体に対する分光学的研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 杉本哲平、片山耕大、神取秀樹
  • 学会等名: 令和2年度中部支部講演会
• [学会発表] 低温赤外分光法によるウイルスロドプシンの構造解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青山真子、杉本哲平、片山耕大、神取秀樹
  • 学会等名: 令和2年度中部支部講演会
• [学会発表] CNGチャネルを用いた高時間分解での酵素ロドプシンの機能計測系の確立 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石川和季、細島頌子、角田聡、神取秀樹
  • 学会等名: 令和2年度中部支部講演会
• [学会発表] 赤外分光法によるオピオイド受容体の選択的リガンド認識機構研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岩田聖矢、鱸洸平、片山耕大、神取秀樹
  • 学会等名: 令和2年度中部支部講演会
• [学会発表] プロトンポンプロドプシンの駆動力の系統的比較 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥山あかり、細島頌子、角田聡、神取秀樹
  • 学会等名: 令和2年度中部支部講演会
• [学会発表] 動物ロドプシンの光活性化におけるMet86の役割 (2021)
  • 著者名/発表者名: 渡辺航平、片山耕大、佐々木拓磨、今井啓雄、神取秀樹
  • 学会等名: 令和2年度中部支部講演会
• [学会発表] Conformational dynamics upon ligand binding in muscarinic acetylcholine receptor revealed by FTIR spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Katayama, K. Suzuki, R. Suno and H. Kandori
  • 学会等名: 第20回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] Analysis of ligand recognition and activation mechanisms in muscarinic acetylcholine receptor 2 (mACR2) by ATR-FTIR spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki , K. Katayama , R. Suno and H. Kandori
  • 学会等名: 第20回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] Mapping analysis to probe the local/global conformational changes in proteins by FTIR spectroscopy with aspartic acid scanning (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Hashimoto, K. Katayama, M. Singh, Y. Furutani and H. Kandori
  • 学会等名: 第20回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] 共鳴ラマン分光法を用いたナトリウムイオンポンプロドプシンKR2の脱水和に伴う長波長シフト機構解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 富田紗穂子、和田昭盛、神取秀樹、古谷祐詞
  • 学会等名: 分子科学会オンライン討論会
• [学会発表] 振動分光による霊長類青視物質の中間体構造解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 華井竣平、片山耕大、佐々木拓磨、 今井啓雄、 神取秀樹
  • 学会等名: 分子科学会オンライン討論会
• [学会発表] Spectroscopic study of cation binding to a TAT rhodopsin mutant (2020)
  • 著者名/発表者名: 杉本哲平、片山耕大、神取秀樹
  • 学会等名: 分子科学会オンライン討論会
• [学会発表] Disruption of hydrogen-bond network in rhodopsin mutations cause night blindness (2020)
  • 著者名/発表者名: K.Katayama, Y. Takeyama, A. Enomoto, H. Imai and H. Kandori
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Expression of Heliorhodopsin in Actinotalea fermentans (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Abe-Yoshizumi, A. Muto and H. Kandori
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Anion binding to mutants of the Schiff base counterion in heliorhodopsin (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Singh, K. Katayama, O. B?j? and Hideki Kandori
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Gene expression analysis of microbial rhodopsins from marine algae Guillardia theta (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamauchi, M. Konno, K. Inoue and H. Kandori
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular properties of eight novel rhodopsin phosphodiesterases (Rh-PDEs) (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Sugiura, S. P. Tsunoda, M. Hibi and H. Kandori
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Infrared spectroscopic study for elucidating ligand recognition mechanism of human M2 muscarinic acetylcholine receptor (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki , K. Katayama , R. Suno , Y.Sumii , N. Shibata and H. Kandori
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Importance of the C-terminal region in cation channelrhodopsin Ts_Rh3 (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Tashiro, K. Sushmita, S. Kateriya, H. Kandori and S. P. Tsunoda
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Mapping of the local environmental changes in proteins by FTIR spectroscopy with aspartic acid scanning (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Hashimoto, K. Katayama, M. Singh, Y. Furutani and H. Kandori
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Photochemical dynamics of a primate blue-sensitive pigment by spectroscopic study (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Hanai, K. Katayama, T. Sasaki, H. Imai and H. Kandori
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Elucidation of the repair mechanism of (6-4) photolyase by low-temperature FTIR spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Maeda, M. Kumagai, D. Yamada, Y. Terai, J. Yamamoto and H. kandori
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Study on physiological functions and physical properties of heliorhodopsin possessed by Rhodococcus bacteria (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Muto, R. Abe-Yoshizumi and H. Kandori
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Spectroscopic study of cation binding to a TAT rhodopsin mutant (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Sugimoto, K. Katayama and H. Kandori
  • 学会等名: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] 動物型 (ヒト) ロドプシンの構造ダイナミクス解析に向けた分光研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 片山耕大、N. Nuemket、南後恵理子、神取秀樹
  • 学会等名: 令和二年度 新学術領域研究「高速分子動画」シンポジウム
• [学会発表] ロドプシンフォスホジエステラーゼ（Ｒｈ― ＰＤＥ）の非対称的ｐＨ効果 (2020)
  • 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10回CSJ化学フェスタ2020
• [図書] History and perspectives of light-sensing proteins (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Kandori
  • 総ページ数: -
  • 出版者: Optogenetics, Adv Exp Med Biol, Vol. 1293, Springer Nature
• [図書] Molecular properties and optogenetic applications of enzymerhodopsins (2021)
  • 著者名/発表者名: S. P. Tsunoda, M. Sugiura and H. Kandori
  • 総ページ数: -
  • 出版者: Optogenetics, Adv Exp Med Biol, Vol. 1293, Springer Nature
• [図書] 巻頭言 若い研究者のために 私を驚かせてください (2021)
  • 著者名/発表者名: 神取秀樹
  • 総ページ数: -
  • 出版者: 内藤財団時報
• [図書] Microbial Rhodopsins (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Rozenberg, K. Inoue, H. Kandori and O. Beja
  • 総ページ数: -
  • 出版者: Annu. Rev. Microbiol
• [図書] Biophysics of rhodopsins and optogenetics (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Kandori
  • 総ページ数: -
  • 出版者: Biophys. Rev. 12, 355-361, Springer Nature
• [図書] オプトジェネティクスツールとしてのロドプシン (2020)
  • 著者名/発表者名: 神取秀樹
  • 総ページ数: 624
  • 出版者: 膜タンパク質工学ハンドブック, 第1編第２章14, （株）NTS
  • ISBN: 978-4-86043-537-0
• [図書] Structure/Function Study of Photoreceptive Proteins by FTIR Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Kandori
  • 総ページ数: -
  • 出版者: Bull. Chem. Soc. Jpn 93, 904-926, 日本化学会