ロドプシンを用いたGPCR関連生理機能の新しい探索ストラテジー

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K21433
• 研究機関: 大阪公立大学
• 研究代表者: 小柳 光正 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (30379276)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2023-03-31
• キーワード: 光受容タンパク質 / 光遺伝学 / GPCR / 感覚 / 生理学

研究実績の概要

Gタンパク質共役型受容体（GPCR）は、ヒトゲノム中に約800種存在する大きな受容体ファミリーで、神経系、内分泌系、免疫系などさまざまな生命機能に関わる重要な分子である。そのためGPCRは、生命機能の解明という基礎研究分野のみならず、創薬のターゲットとしても非常に注目され続けてきたが、現在でも多数のGPCRは生理機能が不明である。この理由の一つは、従来のGPCR研究がリガンド同定を起点に進められ、したがってリガンドが同定されなければ生理機能の解析が進まないからである。
そこで本研究では、光感受性GPCRであるロドプシン類を代替受容体として、すなわち光を代替リガンドとして用いることで、リガンド同定を経ずに、機能未知GPCRが関わる生理機能を明らかにするという、新しいGPCR研究ストラテジーの確立に挑戦している。その結果、2022年度は以下の研究成果を得た。
・このストラテジーの実証として生理機能が予想しやすいフェロモン応答に着目して研究を進め、今年度は、前年度までに取得したゼブラフィッシュのフェロモン受容体遺伝子のプロモーターを用いて、それぞれのフェロモン受容細胞に光遺伝学ツールとして有望なロドプシン類および蛍光タンパク質を発現する遺伝子導入ゼブラフィッシュ系統の作出に成功した。さらに、さまざまなマーカーを組み合わせた組織学的解析によって、各フェロモン受容細胞の特徴づけを行った。
・このストラテジーの他生物への展開として、線虫の感覚受容細胞にロドプシン類を導入し、各感覚応答におけるGPCRの関与や応答特性を明らかにした。

研究成果

• [国際共同研究] The University of Manchester(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: The University of Manchester
• [国際共同研究] Paul Scherrer Institute(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: Paul Scherrer Institute
• [国際共同研究] Institut de la Vision(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Institut de la Vision
• [国際共同研究] The University of Toledo(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: The University of Toledo
• [雑誌論文] Whale shark rhodopsin adapted to deep-sea lifestyle by a substitution associated with human disease (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Yamaguchi, Mitsumasa Koyanagi, Keiichi Sato, Akihisa Terakita, Shigehiro Kuraku
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: 120(13) ページ: e2220728120
  • DOI: 10.1073/pnas.2220728120
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multiple opsins in a reef-building coral, Acropora millepora (2023)
  • 著者名/発表者名: Benjamin M. Mason, Mitsumasa Koyanagi, Tomohiro Sugihara, Makoto Iwasaki, Vladlen Slepak, David J. Miller, Yusuke Sakai, Akihisa Terakita
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13(1) ページ: 1628
  • DOI: 10.1038/s41598-023-28476-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-performance optical control of GPCR signaling by bistable animal opsins MosOpn3 and LamPP in a molecular property-dependent manner (2022)
  • 著者名/発表者名: Mitsumasa Koyanagi, Baoguo Shen, Takashi Nagata, Lanfang Sun, Seiji Wada, Satomi Kamimura, Eriko Kage-Nakadai, Akihisa Terakita
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: 119(48) ページ: e2204341119
  • DOI: 10.1073/pnas.2204341119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Expression of a homologue of a vertebrate non-visual opsin Opn3 in the insect photoreceptors (2022)
  • 著者名/発表者名: Mitsumasa Koyanagi, Hayato Honda, Hirohisa Yokono, Ryu Sato, Takashi Nagata, Akihisa Terakita
  • 雑誌名: Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B 巻: 377(1862) ページ: 20210274
  • DOI: 10.1098/rstb.2021.0274
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optogenetic manipulation of Gq- and Gi/o-coupled receptor signaling in neurons and heart muscle cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Hanako Hagio, Wataru Koyama, Shiori Hosaka, Aysenur Deniz Song, Janchiv Narantsatsral, Koji Matsuda, Tomohiro Sugihara, Takashi Shimizu, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita, Masahiko Hibi
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1101/2022.10.25.513732
  • オープンアクセス
• [学会発表] ゼブラフィッシュを用いた松果体光情報が伝達される脳領域の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 和田清二，小柳光正，寺北明久
  • 学会等名: 日本動物学会近畿支部研究発表会
• [学会発表] 造礁サンゴで発現する花虫綱特異的オプシンの分子特性解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 酒井祐輔，小柳光正，寺北明久
  • 学会等名: 日本動物学会近畿支部研究発表会
• [学会発表] 平板動物のGPCRの解析によるオプシンの起源の探求 (2022)
  • 著者名/発表者名: 髙橋 直樹，寺北 明久，小柳光正
  • 学会等名: 日本進化学会第24回沼津大会
• [学会発表] ゼブラフィッシュを用いた松果体オプシンの関わる光依存的行動の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 和田清二，小柳光正，寺北明久
  • 学会等名: 第22回日本光生物学協会年会
• [学会発表] 造礁サンゴで発現する花虫綱特異的オプシンの吸収波長特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 酒井祐輔，小柳光正，寺北明久
  • 学会等名: 第22回日本光生物学協会年会
• [学会発表] 非視覚オプシンの機能解明のための「発光遺伝学」的解析法の開発の試み (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩崎誠，和田清二，永田崇，杉原智博，小柳光正，寺北明久
  • 学会等名: 第22回日本光生物学協会年会
• [学会発表] 松果体オプシン欠損個体を用いたゼブラフィッシュの光依存的行動の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 和田清二，小柳光正，寺北明久
  • 学会等名: 日本動物学会第93回早稲田大会
• [学会発表] 造礁サンゴの花虫綱特異的オプシンが駆動するシグナル伝達特性に関する解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩崎誠，酒井祐輔，小柳光正，寺北明久
  • 学会等名: 日本動物学会第93回早稲田大会
• [学会発表] ハエトリグモのピンぼけ像にもとづく奥行き知覚を支えるロドプシンの吸収極大波長制御メカニズムの解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤龍，永田崇，寺北明久，小柳光正
  • 学会等名: 日本動物学会第93回早稲田大会
• [学会発表] 造礁サンゴで発現する花虫綱特異的オプシンにおける吸収スペクトルの制御メカニズムの解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 酒井祐輔，小柳光正，寺北明久
  • 学会等名: 日本動物学会第93回早稲田大会
• [学会発表] 視覚ロドプシンとは逆向きの異性化反応を示すハエトリグモペロプシンの光異性化機構解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 犬飼 紫乃，片山 耕大，杉原 智博，小柳 光正，寺北 明久，神取 秀樹
  • 学会等名: 第16回分子科学討論会
• [学会発表] Spectroscopic study of photoisomerization mechanism of Jellyfish Opsin having counterion at different position (2022)
  • 著者名/発表者名: Shino Inukai, Kota Katayama, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Tereakita, Hideki Kandori
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Development of bistable optical control tools based on a Gs-coupled opsin (2022)
  • 著者名/発表者名: Akinari Sakayori, Yusuke Sakai, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita, Hisao Tsukamoto
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Investigation of spectral properties and spectral tuning mechanisms of anthozoan-specific opsins from a reef-building coral. (2022)
  • 著者名/発表者名: 酒井祐輔，小柳光正，寺北明久
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Investigation of spectroscopic properties and spectral tuning of anthozoan opsins in a reef-building coral. (2022)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Sakai, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会
• [学会発表] Diversity of animal opsins and molecular property-based optical control of GPCR signaling by bistable opsins (2022)
  • 著者名/発表者名: Mitsumasa Koyanagi
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Visualization of neural pathways based on the molecular property of a pineal opsin and its contribution to light-dependent behavior using zebrafish larvae (2022)
  • 著者名/発表者名: Seiji Wada, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of bioluminescence-based opsin activation for analyzing biological function of non-visual opsins (2022)
  • 著者名/発表者名: Makoto Iwasaki, Seiji Wada, Takashi Nagata, Tomohiro Sugihara, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of the spectral tuning of the jumping spider rhodopsin that underlies the depth perception from image defocus (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryu Sato, Takashi Nagata, Akihisa Terakita, Mitsumasa Koyanagi
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of neural activity changes derived from extraocular photoreception in the whole brain of larval zebrafish by calcium imaging. (2022)
  • 著者名/発表者名: 波越裕也，和田清二，小柳光正，寺北明久
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会
• [学会発表] Analyses of light-dependent behavior involving pineal photoreceptions using zebrafish larvae. (2022)
  • 著者名/発表者名: Seiji Wada, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会第44回高知大会
• [学会発表] Reproduction of early processes in the evolution of photosensory system by short-term selection of C. elegans optogenetically rendered photosensitive (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryu Sato, Takashi Nagata, Taizo Kawano, Shinichi Miyazaki, Yu Hayashi, Akihisa Terakita, Mitsumasa Koyanagi
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会第44回高知大会
• [学会発表] Spectroscopic and immunohistochemical characterization of a mammalian non-visual opsin Opn3 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高草大悟，杉原智博，清成寛，寺北明久，小柳光正
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会第44回高知大会
• [学会発表] Investigation of neural activity changes derived from extraocular photoreception in the whole brain of larval zebrafish by calcium imaging. (2022)
  • 著者名/発表者名: 波越裕也，和田清二，小柳光正，寺北明久
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会第44回高知大会
• [学会発表] Investigation of spectroscopic properties and spectral tuning of anthozoan opsins in a reef-building coral (2022)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Sakai, Mitsumasa Koyanagi, Akihisa Terakita
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会第44回高知大会
• [学会発表] Analysis of light-dependent behaviors with a pineal opsin, parapinopsin-mutant zebrafish (2022)
  • 著者名/発表者名: 山本悠貴，斉藤智香，和田清二，小柳光正，寺北明久
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会第44回高知大会
• [備考] ジンベエザメだけに起きた視覚の進化 ～深海生活への適応か？～
  • URL: https://www.omu.ac.jp/info/research_news/entry-05235.html
• [備考] ついに実証成功！ 動物の光受容タンパク質が生体の行動をコントロールする「光スイッチ」となることを発見
  • URL: https://www.omu.ac.jp/info/research_news/entry-03209.html
• [備考] 大阪公立大学大学院理学研究科生物学専攻 分子生理学研究室
  • URL: https://www.omu.ac.jp/sci/biol-mphys/