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

2022 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

本年度は広範な真核藻類が１～２個の微生物ロドプシンとベストロフィンチャネルの融合タンパク質である、ベストロドプシンを持つことを明らかにした。ベストロドプシンの一つであるTaraRRBは生理学的条件化において661nmに極大吸収波長を示し、これはイオン輸送型の微生物ロドプシンとして最長のものである。従って、TaraRRBは細胞侵襲性が低く、組織透過性に優れた長波長光を用いたオプトジェネティクスツールとして高いポテンシャルを有していると期待される。また興味深いことに、TaraRRBは光励起に伴ってレチナールがall-trans型から11-cis型へと異性化することがHPLC解析によって明らかとなった。この異性化パターンは一般的な微生物ロドプシンで見られるall-trans型→13-cis型への異性化とは異なる一方で、レチナール異性化酵素やペロプシンなどの一部の動物ロドプシンと同一のものである。このことは、レチナール結合サイトの特異な構造により、TaraRRBでは光励起後のレチナールのねじれに対するエネルギー表面が、微生物ではなく動物ロドプシンのものに近くなっていることを示唆している（Rozenberg et al. Nat. Strut. Mol. Biol. 2022）。
また耐熱性シゾロドプシンについて速度論的な研究を行い、内向きH+輸送時のレチナールシッフ塩基のプロトン化および再プロトン化のいずれの過程も、重水中において大きな速度論的同位体効果を示し、重原子の間のH+ポッピングによってこれらの過程が律速されていることが明らかとなった（Kawasaki et al. Biochim. Biophys. Acta, 2022）
さらにHeRの構造的な安定性について知見を得るため、新たに第一細胞内側ループ（ICL1）上のTyr93のGly変異体の研究を行った（Nakasone et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2023）。この結果、Y93G変異体ではタンパク質の安定性が著しく下がることが明らかとなり、今後のタンパク質設計について新たな指針を得ることができた。

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

本年度はこれまでの当研究課題における研究により、耐熱性シゾロドプシンやベストロドプシン、新奇ドメイン結合型ヘリオロドプシン、CPRロドプシン、DSEロドプシンなど、当初の想定を大きく上回る数の新奇機能や物性を持つロドプシンのサブファミリーが同定されている。またDTGロドプシンなどの微生物ロドプシンに加え、ヘリオロドプシンや動物ロドプシンの一種であるクモロドプシン、RGR (retinal G protein-coupled receptor)についても、機能発現や波長制御、結晶構造などに関する知見を数多く得ている。これらのことから、本年度終了時において当初の計画以上に研究の進展が見られたと結論した。

今後の研究の推進方策

本年度および続く令和５年度の研究により、細菌由来のロドプシンのうち20-30%もの分子が既知の4-keto型のものに加えて、3-OH型のカロテノイドを結合することが明らかとなったが、細菌由来の種が持つロドプシンについては明らかでない。そこで、今後は細菌以外の生物種が持つロドプシンについてもカロテノイド結合の有無や、結合するカロテノイドの種類、結合したカロテノイドの生理的役割などについて調べていく。また今年度までに調べられていないロドプシンのサブファミリーについても、機能や光反応特性などについてさらなる研究を行っていく。

研究成果

• [国際共同研究] イスラエル工科大学/エルサレム・ヘブライ大学(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/エルサレム・ヘブライ大学
• [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(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
• [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] フンボルト大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: フンボルト大学
• [雑誌論文] Phototrophy by Antenna-Containing Rhodopsin Pumps in Aquatic Environments (2023)
  • 著者名/発表者名: Chazan, Das, Fujiwara, Murakoshi, Rozenberg, Molina-Marquez, Sano, Tanaka, Gomez-Villegas, Larom, Pushkarev, Malakar, Hasegawa, Tsukamoto, Ishizuka, Konno, Nagata, Mizuno, Katayama, Abe-Yoshizumi, Ruhman, Inoue, Kandori, Leon, Shihoya, Yoshizawa, Sheves, Nureki, Beja
  • 雑誌名: Nature 巻: 615 ページ: 535-540
  • DOI: 10.1038/s41586-023-05774-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Protein Dynamics of a Light-Driven Na+ Pump Rhodopsin Probed Using a Tryptophan Residue Near the Retinal Chromophore (2023)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Otomo, Misao Mizuno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 20 ページ: e201016
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v20.s016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characterization of Retinal Chromophore and Protonated Schiff Base in Thermoplasmatales Archaeon Heliorhodopsin Using Solid-State NMR Spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Shibuki Suzuki, Sari Kumagai, Toshio Nagashima, Toshio Yamazaki, Takashi Okitsu, Akimori Wada, Akira Naito, Kota Katayama, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Izuru Kawamura
  • 雑誌名: Biophysical Chemistry 巻: 296 ページ: 106991
  • DOI: 10.1016/j.bpc.2023.106991
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biophysical Characterization of Microbial Rhodopsins with DSE Motif (2023)
  • 著者名/発表者名: Maria del Carmen Marin, Alexander L. Jaffe, Patrick T. West, Masae Konno, Jillian F. Banfield
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 20 ページ: e201023
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v20.s023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Difference FTIR Spectroscopy of Jumping Spider Rhodopsin-1 at 77 K (2023)
  • 著者名/発表者名: Shunpei Hanai, Takashi Nagata, Kota Katayama, Shino Inukai, Mitsumasa Koyanagi, Keiichi Inoue, Akihisa Terakita, Hideki Kandori
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 62 ページ: 1347-1359
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.3c00022
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reversible Photoreaction of a Retinal Photoisomerase, Retinal G Protein-Coupled Receptor RGR (2023)
  • 著者名/発表者名: Naoya Morimoto, Takashi Nagata, Keiichi Inoue
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 62 ページ: 1429-1432
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.3c00084
  • 査読あり
• [雑誌論文] Time-Resolved Detection of Light-induced Conformational Changes of Heliorhodopsin (2023)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nakasone, Yuma Kawasaki, Masae Konno, Keiichi Inoue, Masahide Terazima
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 25 ページ: 12833-12840
  • DOI: 10.1039/D3CP00711A
  • 査読あり
• [雑誌論文] Converting a Natural Light-driven Outward Proton Pump Rhodopsin into an Artificial Inward Proton Pump (2023)
  • 著者名/発表者名: Maria del Carmen Marin, Masae Konno, Hiromu Yawo, Keiichi Inoue
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 ページ: 10938-10942
  • DOI: 10.1021/jacs.2c12602
  • 査読あり
• [雑誌論文] Twisting and Protonation of Retinal Chromophore Regulates Channel Gating of Channelrhodopsin C1C2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Keisei Shibata, Kazumasa Oda, Tomohiro Nishizawa, Yuji Hazama, Ryohei Ono, Shunki Takaramoto, Reza Bagherzadeh, Hiromu Yawo, Osamu Nureki, Keiichi Inoue, Hidefumi Akiyama
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 ページ: 10779-10789
  • DOI: 10.1021/jacs.3c01879
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rhodopsin-bestrophin Fusion Proteins from Unicellular Algae form Gigantic Pentameric Ion Channels (2022)
  • 著者名/発表者名: Rozenberg, Kaczmarczyk, Matzov, Vierock, Nagata, Sugiura, Katayama, Kawasaki, Konno, Nagasaka, Aoyama, Das, Pahima, Church, Adam, Borin, Chazan, Augustin, Wietek, Dine, Peleg, Kawanabe, Fujiwara, Yizhar, Sheves, Schapiro, Furutani, Kandori, Inoue, Hegemann, Beja, Shalev-Benami
  • 雑誌名: Nature Structural & Molecular Biology 巻: 29 ページ: 592-603
  • DOI: 10.1038/s41594-022-00783-x
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Kinetic Study on The Molecular Mechanism of Light-driven Inward Proton Transport by Schizorhodopsins (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuma Kawasaki, Masae Konno, Keiichi Inoue
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes 巻: 1864 ページ: 184016
  • DOI: 10.1016/j.bbamem.2022.184016
  • 査読あり
• [学会発表] AIによる高機能性タンパク質探索とデザイン (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 第５回 発動分子科学サロン 「発動分子とAI」
  • 招待講演
• [学会発表] 分光学的手法と電気生理学的手法を用いたポンプ様チャネルロドプシン（ChRmine）のチャネル開閉機構の解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 川﨑佑真、柴田 桂成、岸 孝一郎、寳本 俊輝、小野 稜平、福田 昌弘、八尾 寛、加藤英明、秋山 英文、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] 化学の視点で探る微生物ロドプシンの不思議と可能性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 大阪公立大学・第１回学際化学若手育成シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 新奇光受容タンパク質ベストロドプシンの特異な発色団光異性化反応 (2023)
  • 著者名/発表者名: 永田 崇、川﨑 佑真、今野 雅恵、長坂 勇次郎、青山 真子、片山 耕大、Andrey Rozenberg, Igor Kaczmarczyk, Donna Matzov, Moran Shalev-Benami, Oded Beja, 神取 秀樹、井上 圭一
  • 学会等名: 日本化学会第103春季年会
• [学会発表] カチオンチャネルロドプシンC1C2のチャネル開閉におけるレチナールの構造変化とプロトン移動の役割 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一、柴田 桂成、小田 和正、西澤 知宏、挾間 優治、小野 稜平、寳本 俊輝、Reza Bagherzadeh、八尾 寛、濡木 理、秋山 英文
  • 学会等名: 第22回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] 高熱安定性光駆動型内向きH+ポンプロドプシンの高温環境下での機能活性評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川﨑佑真、今野雅恵、井上圭一
  • 学会等名: 第22回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] ２種類の高熱安定性光駆動型内向きH+ポンプロドプシンの高温環境下での機能活性評価と比較 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川﨑佑真、今野雅恵、井上 圭一
  • 学会等名: 第48回生体分子科学討論会
• [学会発表] タンパク質内プロトン移動が微生物ロドプシンの光機能を生み出すしくみ (2022)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 物性研短期研究会「理論タンパク質物性科学の最前線：理論と実験との密な協働」
• [学会発表] レチナール光異性化酵素として機能する動物ロドプシンの光吸収・反応特性の解析+ポンプロドプシンの高温環境下での機能活性評価と比較 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森本 直也、永田 崇、井上 圭一
  • 学会等名: 物性研短期研究会「理論タンパク質物性科学の最前線：理論と実験との密な協働」
• [学会発表] Natural Photoreceptive-Protein Toolbox of Microbial Rhodopsins (2022)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: 15th Pacific Rim Conference on Lasers and Electrooptics (CLEO)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 新奇微生物ロドプシン・ベストロドプシンの発色団特性とその構成的理解 (2022)
  • 著者名/発表者名: 永田 崇、川﨑 佑真、今野 雅恵、長坂 勇次郎、青山 真子、片山 耕大、Andrey Rozenberg, Igor Kaczmarczyk, Donna Matzov, Moran Shalev-Benami, Oded Beja, 神取 秀樹、井上 圭一
  • 学会等名: 第22回日本光生物学協会年会
• [学会発表] 土壌細菌由来新奇光駆動型Cl-ポンプロドプシンとそのイオン輸送機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石塚 智大、鈴木 花野、川﨑 佑真、今野 雅恵、村田 武士、井上 圭一
  • 学会等名: 第22回日本光生物学協会年会
• [学会発表] 藻類の光受容型巨大イオンチャネル複合体 ―ベストロドプシン― (2022)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 生理学研究所研究会「構造情報を基盤とした膜機能分子の生理機能理解に向けて」
  • 招待講演
• [学会発表] 光開閉型陽イオンチャネルロドプシンChRmineの発色団構造変化の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川﨑佑真、柴田 桂成、岸 孝一郎、寳本 俊輝、小野 稜平、福田 昌弘、八尾 寛、加藤英明、秋山 英文、井上 圭一
  • 学会等名: 第16回分子科学討論会
• [学会発表] 深部神経活動磁場操作に向けた新規分子ツール開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Conversion of light-driven outward proton pump rhodopsin into inward proton pump (2022)
  • 著者名/発表者名: Maria Del Carmen Marin Perez、Masae Konno、Hiromu Yawo、Keiichi Inoue
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 新奇微生物ロドプシン・ベストロドプシンのユニークな発色団レチナール異性化特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 永田 崇、川﨑 佑真、今野 雅恵、長坂 勇次郎、青山 真子、片山 耕大、Andrey Rozenberg, Igor Kaczmarczyk, Donna Matzov, Moran Shalev-Benami, Oded Beja, 神取 秀樹、井上 圭一
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 宿主由来のレチナールを利用する共生古細菌Saccharibacteria由来Type-1ロドプシンの分子特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 今野 雅恵、Alexander L. Jaffe、川﨑佑真、片岡 千尋、Oded Beja、神取 秀樹、Jillian F. Banfield、井上 圭一
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 磁気刺激による細胞活動制御のための磁気レシーバー・磁気刺激システムの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宝本 俊輝、八尾 寛、長坂 勇次郎、吉岡 輝、関野 正樹、井上 圭一
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 高熱安定性光駆動型内向き H+ポンプロドプシンにおける熱安定性要因の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川﨑 佑真、今野 雅恵、井上 圭一
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 新奇塩化物イオン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、鈴木 花野、川﨑 佑真、今野 雅恵、村田 武士、井上 圭一
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Discovery and functional analysis of novel retinal proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: The Sir Martin Wood Prize Lecture - Stuttgart
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 新奇光駆動型イオンポンプによる塩化物イオン輸送機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石塚 智大、鈴木 花野、川﨑 佑真、今野 雅恵、村田 武士、井上 圭一
  • 学会等名: 第12回CSJ化学フェスタ2022
• [学会発表] Discovery and functional analysis of novel retinal proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: The Sir Martin Wood Prize Lecture - Oxford
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Discovery and functional analysis of novel retinal proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: The Sir Martin Wood Prize Lecture - Cambridge
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Discovery and functional analysis of novel retinal proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: The Sir Martin Wood Prize Lecture - Manchester
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] What determines the rate of reaction process of ion-transporting rhodopsins? (2022)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins (ICRP2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of a dark-active, light-inactivated optogenetic tool for controlling G protein signaling toward vision restoration (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nagata
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins (ICRP2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Conversion of light-driven outward proton pump rhodopsin into inward proton pump (2022)
  • 著者名/発表者名: Maria Del Carmen Marin Perez、Masae Konno、Hiromu Yawo、Keiichi Inoue
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins (ICRP2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular characterization of proton-pumping rhodopsin from Saccharibacteria that may use host-derived all-trans retinal (2022)
  • 著者名/発表者名: Masae Konno、Alexander L. Jaffe、Yuma Kawasaki、Chihiro Kataoka、Oded Beja、Hideki Kandori、Jillian F. Banfield、Keiichi Inoue
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins (ICRP2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Unique ion transport mechanism by novel chloride pump rhodopsin from soil bacteria (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Ishizuka、Kano Suzuki、Yuma Kawasaki、Masae Konno、Takeshi Murata、Keiichi Inoue
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins (ICRP2022)
  • 国際学会
• [学会発表] The dynamics of two gates of pump-like channel rhodopsin, ChRmine, revealed by a combination of spectroscopic and electrophysiological studies (2022)
  • 著者名/発表者名: Keisei Shibata、Yuma Kawasaki、Koichiro Kishi、Shunki Takaramoto、 Ryohei Ono、 Masahiro Fukuda、 Hiromu Yawo、Hideaki Kato、 Hidefumi Akiyama、Keiichi Inoue
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins (ICRP2022)
  • 国際学会
• [学会発表] 微生物ロドプシンのメカニズム研究と植物オプトジェネティクスへの応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 今野 雅恵
  • 学会等名: ISSP Workshop「物性女性若手研究交流会2022」
  • 招待講演
• [学会発表] Functional conversion of light-driven outward proton pump rhodopsin (2022)
  • 著者名/発表者名: Maria Del Carmen Marin Perez
  • 学会等名: ISSP Workshop「物性女性若手研究交流会2022」
  • 招待講演
• [学会発表] ロドプシンが織り成す新時代の光生物学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: The Sir Martin Wood Prize Lecture - Nagoya
  • 招待講演
• [学会発表] 多角的時間分解計測によるタンパク質の反応ダイナミクスの理解 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 令和4年度 「高速分子動画」シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Photochemistry of rhodopsins in the microorganism world (2022)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: ICPAC KK 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 土壌細菌由来新奇Cl-ポンプロドプシンによるイオン輸送機構の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石塚 智大、鈴木 花野、川﨑 佑真、今野 雅恵、村田 武士、井上 圭一
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第48回討論会
• [図書] 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ー (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 総ページ数: 265
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 978-4-7813-1732-8
• [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