微生物型ロドプシンをモデル系とした、タンパク質の多様な機能発現の根本原理の解明

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H01875
• 配分区分: 補助金
• 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): 2021-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 微生物ロドプシン / タンパク質機能 / 機能計測 / 構造解析 / 分光計測

研究実績の概要

本研究の主たる目的である微生物ロドプシンの多様な機能発現の根本原理の解明ため、本年度は新たに構造解析に基づいたDTGロドプシンのメカニズム研究を行った（Suzuki et al., J. Biol. Chem. 2022）。DTGロドプシンは、一般的な外向きH+ポンプ型ロドプシンではH+ドナー残基のある位置に、H+移動に関わらないグリシン残基を持つことを特徴とするが、その輸送メカニズムは不明な点が多い。そして構造解析の結果、グリシンの小さなサイズに起因する、細胞質側の溶媒からレチナール近くまで続く大きな細胞質間隙がタンパク質の細胞質側に存在することが明らかとなった。またさらにグリシンを、一般的なH+ポンプ型ロドプシンでH+ドナーとして働くアスパラギン酸やグルタミン酸に変異したところ、H+ポンプ活性の向上が見られた。このことから、DTGロドプシンでは敢えて細胞質側のH+ドナーを消失させることで、H+輸送能の低下させる代わりに、細胞質側からのH+取込み過程を光反応サイクルの律速とすることで、細胞質内の極端なアルカリ化を防ぐ機構を獲得したことが示唆された。
また新たにゲノムデータ解析から、好熱アーキア由来の内向きH+ポンプ型ロドプシン（シゾロドプシン、SzR）を二種類（MtSzR、MsSzR）同定し、非好熱種由来のものと比べて高い耐熱性を持つことを報告した（Kawasaki et al., Chem. Phys. Lett. 2021）。この結果は、これまで高熱環境で使われている微生物ロドプシンは外向きH+ポンプだけだと考えられていた常識を覆すものであり、より幅広い機能の分子を好熱性の種が用いていることを示している。中でもMsSzRは既知の微生物ロドプシンの中で、最も高い熱安定性を示した。これらの分子は非高熱環境由来のものとアミノ酸配列が比較的似通っていることから、今後膜タンパク質の耐熱化のメカニズムを調べる上で、極めて良いモデル系になると期待される。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本年度は上記のDTGロドプシンの構造解析にもとづくメカニズム研究や、耐熱性SzRの発見に加え、既知のものと物性の異なるヘリオドプシンの機能解析（Chazan et al., Environ. Microbiol. 2022）およびヘリオロドプシンの機能の新たな多様性（Bulzu et al., mSphere 2021）、高機能性チャネルロドプシンChRmineの光反応素過程（Kishi et al., Cell 2022）に関する研究などについて成果の報告を行った。これらの成果はいずれも微生物ロドプシンの多様な機能の理解を大きく進めるものであることから、初年度において当初の計画以上に研究を進展させることができた。

今後の研究の推進方策

今後は主にアミノ酸の配列の新奇性に着目することで、微生物ロドプシンの機能や吸収波長の多様性を調べていく。特にこれまでは大腸菌での発現が容易な原核生物由来のものが探索の中心であったが、今後は真核生物由来の者についても研究を展開していく。また振動分光測定系を確立することで、レチナールなどのより詳しい構造情報を得ることを可能とし、既に確立している過渡吸収分光系やレーザー電気生理学実験系と併せることで、レチナールの異性化から機能発現に至るメカニズムをさらに詳細に明らかにしていく。

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] カリフォルニア大学バークレー校/スタンフォード大学/ボーリング・グリーン州立大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: カリフォルニア大学バークレー校/スタンフォード大学/ボーリング・グリーン州立大学
• [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
• [国際共同研究] シエナ大学(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: シエナ大学
• [雑誌論文] Diverse Heliorhodopsins Detected via Functional Metagenomics in Freshwater Actinobacteria, Chloroflexi and Archaea (2022)
  • 著者名/発表者名: Ariel Chazan, Andrey Rozenberg, Kentaro Mannen, Takashi Nagata, Ran Tahan, Shir Yaish, Shirley Larom, Keiichi Inoue, Oded Beja, Alina Pushkarev
  • 雑誌名: Environmental Microbiology 巻: 24 ページ: 110-121
  • DOI: 10.1111/1462-2920.15890
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structural Basis for Channel Conduction in the Pump-like Channelrhodopsin ChRmine (2022)
  • 著者名/発表者名: K. E. Kishi, Y. S. Kim, M. Fukuda, T. Kusakizako, E. Thadhani, E. F. X. Byrne, J. M. Paggi, C. Ramakrishnan, T. E. Matsui, K. Yamashita, T. Nagata, M. Konno, P. Y. Wang, M. Inoue, T. Benster, T. Uemura, K. Liu, M. Shibata, N. Nomura, S. Iwata, O. Nureki, R. O. Dror, K. Inoue, K. Deisseroth, H. E. Kato
  • 雑誌名: Cell 巻: 185 ページ: 672-689.e23
  • DOI: 10.1016/j.cell.2022.01.007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural Characterization of Proton-pumping Rhodopsin Lacking a Cytoplasmic Proton Donor Residue by X-ray Crystallography (2022)
  • 著者名/発表者名: Kano Suzuki, Maria del Carmen Marin, Masae Konno, Reza Bagherzadeh, Takeshi Murata, Keiichi Inoue
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 298 ページ: 101722
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.101722
  • 査読あり
• [雑誌論文] Saccharibacteria Harness Light Energy Using Type-1 Rhodopsins That May Rely on Retinal Sourced from Microbial Hosts (2022)
  • 著者名/発表者名: Alexander L. Jaffe, Masae Konno, Yuma Kawasaki, Chihiro Kataoka, Oded Beja, Hideki Kandori, Keiichi Inoue, Jillian F. Banfield
  • 雑誌名: The ISME Journal 巻: 16 ページ: 2056-2059
  • DOI: 10.1038/s41396-022-01231-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Thermostable Light-Driven Inward Proton Pump Rhodopsins (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuma Kawasaki, Masae Konno, Keiichi Inoue
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 779 ページ: 138868
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2021.138868
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ion transport activity assay of microbial rhodopsin expressed in Escherichia coli cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Masae Konno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori
  • 雑誌名: Bio-protocol 巻: 11 ページ: e4115
  • DOI: 10.21769/BioProtoc.4115
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microbial Rhodopsins: The Last Two Decades (2021)
  • 著者名/発表者名: Andrey Rozenberg, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Oded Beja
  • 雑誌名: Annual Review of Microbiology 巻: 75 ページ: 427-447
  • DOI: 10.1146/annurev-micro-031721-020452
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pro219 is an Electrostatic Color Determinant in the Light-driven Sodium Pump KR2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuta Nakajima, Laura Pedraza-Gonzalez, Leonardo Barneschi, Keiichi Inoue, Massimo Olivucci, Hideki Kandori
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 ページ: 1185
  • DOI: 10.1038/s42003-021-02684-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Heliorhodopsin Evolution is Driven by Photosensory Promiscuity in Monoderms (2021)
  • 著者名/発表者名: Paul-Adrian Bulzu, Vinicius Silva Kavagutti, Maria-Cecilia Chiriac, Charlotte D. Vavourakis, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Adrian-Stefan Andrei, Rohit Ghai
  • 雑誌名: mSphere 巻: 6 ページ: e00661-21
  • DOI: 10.1128/mSphere.00661-21
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rhodopsins at a Glance (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nagata, Keiichi Inoue
  • 雑誌名: Journal of Cell Science 巻: 134 ページ: jcs258989
  • DOI: 10.1242/jcs.258989
  • 査読あり
• [学会発表] 光ではたらく膜タンパク質 ―ロドプシンの多彩な機能と光遺伝学― (2022)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 第6回CURIEセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 細菌由来新奇Cl-ポンプロドプシンの輸送メカニズム研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石塚智大、川﨑佑真、今野雅恵、井上 圭一
  • 学会等名: 第11回日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] レチナール光異性化酵素ロドプシンRGRの光吸収・反応特性の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森本直也、永田崇、井上 圭一
  • 学会等名: 第11回日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] Study on the dynamics of channel opening and closing of cation channelrhodopsin, C1C2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue、Keisei Shibata、 Kazumasa Oda、Tomohiro Nishizawa、Yuji Hazama、Ryohei Ono、Shunki Takaramoto、Reza Bagherzadeh、Hiromu Yawo、Osamu Nureki、Hidefumi Akiyama
  • 学会等名: 日本化学会 第102春季年会（2022）
• [学会発表] 機械学習を用いたロドプシンの吸収波長予測法とオプトジェネティクスツール開発への応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井上圭一、烏山昌幸、神取秀樹、竹内一郎
  • 学会等名: ISSPワークショップ：開放系トポロジーと生体・量子・統計物理
• [学会発表] レチナール光異性化酵素として働くロドプシンの光吸収・反応特性の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森本直也、永田崇、井上圭一
  • 学会等名: ISSPワークショップ：開放系トポロジーと生体・量子・統計物理
• [学会発表] 光駆動タンパク質ロドプシンのもたらす生物と光の新たな関係 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: バイオインダストリー協会"・未来へのバイオ技術" 勉強会「光と音の遺伝子応答とオプトジェネティクス」
  • 招待講演
• [学会発表] アスガルドアーキア由来の新奇光駆動型内向きプロトンポンプ：シゾロドプシンの機能・分光・構造研究 (2021)
  • 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47回生体分子科学討論会
• [学会発表] Methanoculleus 属アーキア由来シゾロドプシンの熱安定性研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川﨑佑真、今野雅恵、井上圭一
  • 学会等名: 第47回生体分子科学討論会
• [学会発表] ロドプシンの色を変える：構造・理論・機械学習的アプローチ (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 電気学会 光・量子デバイス研究会「革新的材料の創出とデバイス応用」
  • 招待講演
• [学会発表] 光エネルギーを使って内向きにプロトンを輸送するロドプシンの構造とダイナミクス (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 第21回日本蛋白質科学会年会・ワークショップ「高速分子動画：タンパク質の構造機能相関研究の最先端」
  • 招待講演
• [学会発表] Methanoculleus 属古細菌由来新奇シゾロドプシンの熱安定性評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川﨑佑真、今野雅恵、井上圭一
  • 学会等名: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] アスガルドアーキアは光をつかう？―ロドプシンを用いた光受容と新奇シゾロドプシンファミリ― (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 極限環境生物学会・第22回シンポジウム「微生物ダークマターへの挑戦」
  • 招待講演
• [学会発表] 自然界の光分子ツールボックス―微生物ロドプシンの科学を理解する― (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 第19回 “光”機到来！Ｑコロキウム
  • 招待講演
• [学会発表] 高温環境由来新奇シゾロドプシンの熱安定性研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川﨑佑真、今野雅恵、井上圭一
  • 学会等名: 第15回分子科学討論会
• [学会発表] 真核生物の起源に関わる新奇光受容型膜タンパク質ロドプシンの機能メカニズム研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 山田科学振興財団・2021年度研究交歓会
  • 招待講演
• [学会発表] 高温環境から発見されたシゾロドプシンの熱安定性研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川﨑佑真、今野雅恵、井上圭一
  • 学会等名: 第11回CSJ化学フェスタ2021
• [学会発表] DTGロドプシンのX線結晶構造解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上圭一、鈴木花野、今野雅恵、Reza Bagherzadeh、Andrey Rozenberg、Maria del Carmen Marin、Oded Beja、村田武士
  • 学会等名: 第59回生物物理学会年会
• [学会発表] 視覚再生に向けた暗活性・光不活性化GPCR型光遺伝学ツールの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 永田 崇
  • 学会等名: 第59回生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] シグナルペプチドを持つMarine group II 古細菌由来Clade-Cロドプシンの分子特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 今野雅恵、Bu Xu、Apoorva Prabhu、Yang Liu、Meng Li、Oded Beja、Chuanlun Zhang、Christian Rinke、Lu Fan、井上圭一
  • 学会等名: 第59回生物物理学会年会
• [学会発表] Color Tuning of Microbial Rhodopsin Proteins: Combined Spectroscopic and QM/MM Modeling Studies (2021)
  • 著者名/発表者名: Maria del Carmen Marin Perez、Konno Masae、Laura Pedraza-Gonzalez、Luca De Vico、Massimo Olivucci、Keiichi Inoue
  • 学会等名: 第59回生物物理学会年会
• [学会発表] 高温環境由来のアーキアから発見されたシゾロドプシンの熱安定性研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川﨑佑真、今野雅恵、井上 圭一
  • 学会等名: 第59回生物物理学会年会
• [学会発表] レチナール光異性化酵素として働く動物ロドプシンの分光学的解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森本直也、永田崇、井上 圭一
  • 学会等名: 第59回生物物理学会年会
• [学会発表] 機械学習による微生物ロドプシンの吸収波長予測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上圭一、烏山昌幸、神取秀樹、竹内一郎
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Color Tuning of Microbial Rhodopsin Proteins: Combained Spectroscopic and QM/MM Modeling Studies (2021)
  • 著者名/発表者名: Maria del Carmen Marin Perez、今野雅恵、Laura Pedraza-Gonzalez、Luca De Vico、Massimo Olivucci、井上圭一
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] The diversity and the molecular mechanism of light-driven inward proton pump rhodopsins (2021)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: The International Chemical Congress of Pachific Basin Societies (Pacifichem) 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Red-shifting mutation of light-driven sodium-pump rhodopsin (2021)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue、Maria del Carmen Marin Perez、Sahoko Tomida、Ryoko Nakamura、Yuta Nakajima、Massimo Olivucci、Hideki Kandori
  • 学会等名: The International Chemical Congress of Pachific Basin Societies (Pacifichem) 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Detection of Functional Processes of Photoreceptive Proteins by Muon (2021)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue, Tamiko Kiyotani, Ichiro Tanaka
  • 学会等名: ISIS Muon Illumination Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Molecular physiological study on rhodopsin-based visual and non-visual photoreceptions of a jumping spiser (2021)
  • 著者名/発表者名: 永田 崇
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会第43回札幌大会
  • 招待講演
• [学会発表] Spectral characterization of vertebrate opsins acting as a retinal photoisomerase (2021)
  • 著者名/発表者名: 森本直也、永田崇、井上圭一
  • 学会等名: 日本比較生理生化学会第43回札幌大会
• [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: 663
  • 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/index.html
• [備考] ISSP Publications Database
  • URL: http://pubs.issp.u-tokyo.ac.jp/index.php