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

2023 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

本年度は主にイオンポンプおよびイオンチャネル型の微生物ロドプシンに着目して研究を行った。その内イオンポンプロドプシンについては、異なる機能のタンパク質間のアミノ酸を入れ替えることで互いの機能を転換し、機能発現に必要な最小要素を調べることができる機能転換実験により、過去に井上らが報告した光駆動型内向きプロトンポンプのシゾロドプシン（SzR、Inoue et al. Sci. Adv. 2020）において内向きプロトン輸送に関わるアミノ酸の同定を試みた。そして、外向きプロトンポンプ型ロドプシンのPspRに段階的に変異を加えたところ、３つの変異によって輸送方向の逆転が見られた。これにより、SzRの内向きプロトン輸送性はSchiff塩基近傍のこれら３つの残基によって生み出されていると考えられる（Marin et al. JACS 2023）。
一方、イオンチャネル型のロドプシンであるC1C2について、チャネル開閉とレチナール発色団のつながりを明らかにするため、新たに時間分解共鳴Raman分光系を構築し、各中間体におけるレチナールの構造の違いを調べ、レーザーパッチクランプや過渡吸収計測の結果と比較した。その結果、レチナールのSchiff塩基が脱プロトン化し、チャネルが開いた状態に相当するP2b状態において、レチナールのポリエン鎖のねじれが最も大きくなることが、水素面外変角振動モードのRamanピーク強度から示された。さらにねじれの緩和とチャネルのClosingはSchiff塩基への再プロトン化過程に律速されることから、これらの結果により、C1C2ではレチナールのねじれがチャネルの開閉を制御する主要因であることを明らかとした（Shibata et al. JACS 2023）。
その他、新奇ロドプシンファミリーTwR（Mannen et al. J. Mol. Biol. 2023）、カロテノイド結合型ロドプシン（Chazan et al. Nature 2023）、カリウムチャネルロドプシンのイオン輸送メカニズム（Tajima et al. Cell 2023）についても研究を行った。

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

これまでの当研究課題における研究により、ベストロドプシンやCPRロドプシン、DSEロドプシン、TwR、3-OH型カロテノイド結合型ロドプシンなど、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。また内向きプロトンポンプ型ロドプシンやチャネルロドプシンなどの微生物ロドプシンに加え、動物ロドプシンの一種であるRGR (retinal G protein-coupled receptor)についても、機能発現や波長制御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

今年度の研究により、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] 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
• [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] ストラスブール大学(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: ストラスブール大学
• [国際共同研究] オックスフォード大学(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: オックスフォード大学
• [雑誌論文] Cis-Trans Reisomerization Preceding Reprotonation of the Retinal Chromophore Is Common to the Schizorhodopsin Family: A Simple and Rational Mechanism for Inward Proton Pumping (2024)
  • 著者名/発表者名: Taito Urui, Kouhei Hayashi, Misao Mizuno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 128 ページ: 744-754
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c07510
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chromophore-Protein Interactions Affecting the Polyene Twist and π-π* Energy Gap of the Retinal Chromophore in Schizorhodopsins (2024)
  • 著者名/発表者名: Taito Urui, Tomomi Shionoya, Misao Mizuno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 128 ページ: 2389-2397
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c08465
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Light-Gated Cation Channel with High Reactivity to Weak Light (2023)
  • 著者名/発表者名: Shoko Hososhima, Shinji Ueno, Satoshi Okado, Ken-ichi Inoue, Masae Konno, Yumeka Yamauchi, Keiichi Inoue, Hiroko Terasaki, Hideki Kandori, Satoshi P. Tsunoda
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 ページ: 7675
  • DOI: 10.1038/s41598-023-34687-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of the Unique Chromophore-Protein Interactions on the Primary Photoreaction of Schizorhodopsin (2023)
  • 著者名/発表者名: Chun-Fu Chang, Masae Konno, Keiichi Inoue, Tahei Tahara
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 14 ページ: 7083-7091
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c01133
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Light-Driven Anion Pump with Two Different Transport Modes (2023)
  • 著者名/発表者名: Manish Singh, Shota Ito, Shoko Hososhima, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi P. Tsunoda, Keiichi Inoue, Hideki Kandori
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 127 ページ: 7123-7134
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c02116
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural Basis for Color Tuning and Ion Selectivity in Potassium-Selective Channelrhodopsins (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Tajima, Y. S. Kim, M. Fukuda, Y.J. Jo, P. Y. Wang, J. M. Paggi, E. F.X. Byrne, K. E. Kishi, S. Nakamura, C. Ramakrishnan, S. Takaramoto, T. Nagata, M. Konno, M. Sugiura, K. Katayama, T. E. Matsui, K. Yamashita, S. Kim, H. Ikeda, M. Inoue, H. Kandori, R. O. Dror, K. Inoue, K. Deisseroth, H. E. Kato
  • 雑誌名: Cell 巻: 186 ページ: 4325-4344.e26
  • DOI: 10.1016/j.cell.2023.08.009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photochemistry of the Retinal Chromophore in Microbial Rhodopsins (2023)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 127 ページ: 9215-9222
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c05467
  • 査読あり
• [雑誌論文] Iron-limitation Light Switch (2023)
  • 著者名/発表者名: Oded Beja, Keiichi Inoue
  • 雑誌名: Nature Microbiology 巻: 8 ページ: 1942-1943
  • DOI: 10.1038/s41564-023-01491-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multiple Roles of a Conserved Glutamate Residue for Unique Biophysical Properties in a New Group of Microbial Rhodopsins Homologous to TAT Rhodopsin (2023)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Mannen, Takashi Nagata, Andrey Rozenberg, Masae Konno, Maria del Carmen Marin, Reza Bagherzadeh, Oded Beja, Takayuki Uchihashi, Keiichi Inoue
  • 雑誌名: Journal of Molecular Biology 巻: 436 ページ: 168331
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2023.168331
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Functional Characterization of Four Opsins and Two G Alpha Subtypes Co-Expressed in the Molluscan Rhabdomeric Photoreceptor (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryota Matsuo, Mitsumasa Koyanagi, Tomohiro Sugihara, Taishi Shirata, Takashi Nagata, Keiichi Inoue, Yuko Matsuo, Akihisa Terakita
  • 雑誌名: BMC Biology 巻: 21 ページ: 291
  • DOI: 10.1186/s12915-023-01789-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 光を司る分子の技：レチナールの光化学がもたらすロドプシンタンパク質の多様な機能性 (2024)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 2023年度 化学生命工学講演会「化学生命の最前線１」
  • 招待講演
• [学会発表] 液滴形成における神経タンパク質α-synucleinとsynapsinの相互作用機構 (2024)
  • 著者名/発表者名: 宝本 俊輝、井上 圭一
  • 学会等名: 第13回日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] Electrophysiological study of the effect of weak organic acids on the transport activity of proton pumping rhodopsin of rhizobacteria (2024)
  • 著者名/発表者名: Zikun Lyu、Shunki Takaramoto、Maria del Carmen Marin、Hiromu Yawo、Keiichi Inoue
  • 学会等名: 第13回日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] The Photochemistry of Retinal Chromophore and its Biological Role in New Rhodopsins (2024)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: Gordon Research Conference: Photosensory Receptors & Signal Transduction
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] レチナール光異性化酵素ロドプシンの吸収波長特性と可逆的光反応 (2024)
  • 著者名/発表者名: 森本 直也、永田 崇、井上 圭一
  • 学会等名: 日本化学会第104春季年会
• [学会発表] The Rhodopsin Symphony from Nagoya (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: オプトバイオテクノロジー研究センター シンポジウム「光といのち」
  • 招待講演
• [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(MtSzR)の安定化メカニズムの研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 川﨑佑真、今野雅恵、井上圭一
  • 学会等名: 第49回生体分子科学討論会
• [学会発表] 微生物ロドプシンがもたらす光生物学の新地平 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 東京大学大学院理学研究科物理学専攻談話会
  • 招待講演
• [学会発表] Retinal Chromophore Twisting 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
  • 学会等名: Time Resolved Vibrational Spectroscopy 2023
  • 国際学会
• [学会発表] レチナール光異性化酵素ロドプシンRGRの吸収分光特性と可逆的光反応 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森本 直也、永田 崇、井上 圭一
  • 学会等名: 第23回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] 動物の光受容をささえる光受容タンパク質・ロドプシンの多様性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 永田 崇
  • 学会等名: 第34回生体機能関連化学部会若手の会 サマースクール
  • 招待講演
• [学会発表] The role of proton transfer in ion-transporting microbial rhodopsins (2023)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: Biophysical Society (BPS) Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ゲノム探索がもたらす微生物ロドプシン研究の新視点 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 第23回日本光生物学協会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 脊椎動物が持つ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 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森本 直也、永田 崇、井上 圭一
  • 学会等名: 第23回日本光生物学協会年会
• [学会発表] カチオンチャネルロドプシンChRmineのイオン輸送メカニズム (2023)
  • 著者名/発表者名: 宝本 俊輝、川﨑 佑真、柴田 桂成、岸 孝一郎、加藤 英明、井上 圭一
  • 学会等名: 第23回日本光生物学協会年会
• [学会発表] レチナール発色団のねじれとプロトン化によるチャネルロドプシンC1C2のチャネル開閉メカニズム (2023)
  • 著者名/発表者名: 柴田 桂成、小田 和正、西澤 知宏、挾間 優治、小野 稜平、寶本 俊輝、Reza Bagherzadeh、八尾 寛、濡木 理、井上 圭一、秋山 英文
  • 学会等名: 第23回日本光生物学協会年会
• [学会発表] Time-resolved Raman spectroscopic study of channelrhodopsins (2023)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: 8th Asian Spectroscopy Conference 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Twisting and Protonation of Retinal Chromophore Regulate 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
  • 学会等名: 8th Asian Spectroscpy Conference 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 脊椎動物が持つレチナール光異性化酵素ロドプシンRGRの吸収・光反応特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森本 直也、永田 崇、井上 圭一
  • 学会等名: 日本動物学会 第94回大会
• [学会発表] レチナール発色団のねじれとプロトン化によるチャネルロドプシンC1C2のチャネル開閉制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 柴田 桂成、小田 和正、西澤 知宏、挾間 優治、小野 稜平、寶本 俊輝、Reza Bagherzadeh、八尾 寛、濡木 理、井上 圭一、秋山 英文
  • 学会等名: 第17回分子科学討論会
• [学会発表] Photochemistry behind diverse functions of microbial rhodopsins (2023)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: ICPAC Bali 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 光駆動型外向きプロトンポンプ型ロドプシンの内向きプロトンポンプへの機能転換 (2023)
  • 著者名/発表者名: Marin Perez Maria del Carmen、今野 雅恵、八尾 寛、井上 圭一
  • 学会等名: 第17回分子科学討論会
• [学会発表] 光ではたらくタンパク質、微生物ロドプシンの機能物性研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 東京大学物性研究所協議会
  • 招待講演
• [学会発表] ベストロドプシン：ユニークな光反応を示す新奇光駆動陰イオンチャネル (2023)
  • 著者名/発表者名: 今野 雅恵
  • 学会等名: 第61回 日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 高機能性タンパク質のデザインのための機械学習法の開発およびロドプシンの吸収波長制御への応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 脊椎動物が持つレチナール光異性化酵素ロドプシン・RGRの吸収波長の多様性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 永田 崇、森本 直也、李 春ヤン光、井上 圭一
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 新奇カチオンチャネルロドプシンHulaCCRの機能解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 宝本 俊輝、 Shai Fainsod、永田 崇、Andrey Rozenberg、 Oded Beja、井上 圭一
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 外向きH+ポンプ型ロドプシンから内向きH+ポンプへの機能転換による膜タンパク質のイオン輸送方向決定機構に関する研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: Maria Del Carmen Marin Perez、今野 雅恵、八尾 寛、井上 圭一
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第49回討論会
• [学会発表] Saccharibacteriaが持つ、宿主由来のall-transレチナールを利用する外向きプロトンポンプロドプシンの分子特性解析 (2023)
  • 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: 日本生体エネルギー研究会第49回討論会
• [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