赤外分光法によるロドプシンの情報伝達機構の解析

红外光谱分析视紫红质的信息传递机制

基本信息

批准号：
07J11731
负责人：
川鍋陽
金额：
$ 1.73万
依托单位：
Nagoya Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2007
资助国家：
日本
起止时间：
2007 至 2009
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では光センサーと考えられているAnabaena sensory rhodopsin (ASR)を対象にして、ロドプシンが機能を発現するための構造変化の解析および、新規機能の開発を目的としている。さらに、ASRではないが類似のタンパク質を対象にNative状態での機能測定にも挑戦した。本年度の研究成果の概要を以下に記述する。1.新規機能の開発にあたって、もともとプロトンポンプ活性がないと報告されているASRをもとに、外向きのプロトンポンプ機能を持たせようと試みたが、未だに実現していない。しかし、研究の過程で驚くべきことに細胞質側膜表面付近の、Asp217をGluに置換することで、ASRは通常とは逆の内向きのプロトン輸送を実現した。この成果は化学誌の最高峰であるJACS誌に掲載され、神経生理学や薬などへの応用が期待されている。また、発展形として、よりプロトン輸送活性が高いタンパク質の開発を試みた。注目したのはプロトンの輸送経路上に存在するSer214である。この残基をAspに置換したところ、狙い通りプロトン輸送活性が大きく上昇した。これは応用研究への活用の幅が広がる結果であると考えている。2.これまでの古細菌以外から発見されたロドプシンの研究では、大腸菌で発現させて機能を評価しているため、in situで実際に機能しているのか不明であった。そこで私は、東京大学海洋研究所の木暮教授吉澤博士との共同研究で10年ほど前に発見されて、広く知られているProteorhodopsin(PR)を対象にin situでの機能解析を行った。その結果、Nativeの海洋性細菌において光駆動プロトンポンプとしてPRがはたらいていることを確認した。これは、海に広く存在する海洋性細菌の光利用のエネルギー産生において、クロロフィルの光合成系ではなくレチナールタンパク質を利用していることを示唆している。これまでレチナールタンパク質をエネルギー産生に活用しているのはごく少数の古細菌のみと考えられてきたが、今回の成果はこれまでの常識を覆す可能性がある。

本研究旨在分析导致视紫红质表达其功能的结构变化，并为鱼腥藻感觉视紫红质（ASR）（被认为是一种光传感器）开发新功能。此外，我们试图测量一种与天然状态下的 ASR 相似但不同于 ASR 的蛋白质的功能。现将今年的研究成果总结如下。 1. 在开发新功能时，我们尝试为ASR添加外向质子泵功能，最初报道该功能没有质子泵活性，但目前尚未实现。然而，在研究过程中，令人惊讶的是，ASR通过在细胞质膜表面附近用Glu取代Asp217，实现了向内的质子运输，这与正常情况相反。该成果发表在化学顶级期刊JACS上，有望在神经生理学和医学领域有应用。此外，作为一种高级形式，我们尝试开发一种具有更高质子传输活性的蛋白质。我们关注的是Ser214，它存在于质子传输路线上。当该残基被天冬氨酸取代时，质子传输活性如预期显着增加。我们相信，这是应用研究更广泛应用的结果。 2. 之前对在古细菌以外的生物体中发现的视紫红质的研究，通过在大肠杆菌中表达来评估其功能，因此尚不清楚它是否实际上在原位发挥作用。我与东京大学海洋研究所的吉泽小暮教授合作，对大约10年前发现并广为人知的原视紫红质（PR）进行了原位功能分析。结果，我们证实 PR 在本地海洋细菌中起到光驱动质子泵的作用。这表明广泛存在于海洋中的海洋细菌利用视网膜蛋白而不是叶绿素光合作用系统来产生光能。到目前为止，人们认为只有少数古细菌利用视网膜蛋白来产生能量，但这一结果可能会颠覆传统观点。