Understanding of the ground principle underlying the expression of a wide variety of protein functions by studying microbial rhodopsins as a model system

通过研究微生物视紫红质作为模型系统，了解多种蛋白质功能表达的基本原理

基本信息

批准号：
21H01875
负责人：
井上圭一
金额：
$ 11.23万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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。

为了阐明微生物视紫红质的各种功能表达的基本原理，这是这项研究的主要目的，今年，我们根据结构分析对DTG Rhopopsin机制进行了新的研究（Suzuki等人，J.Biol。Chem。202222）。 DTG Rhodopsin的特征是在存在H+供体残基的位置上没有与H+迁移无关的甘氨酸残基，但其运输机制尚不清楚。结构分析表明，由于甘氨酸的尺寸较小，该蛋白质的细胞质侧存在着从细胞质溶剂到近乎视网膜的大细胞质空间。此外，当将甘氨酸突变成天冬氨酸和谷氨酸中时，它们在一般H+泵型杜鹃丁物中充当H+供体时，H+泵的活性得到了改善。这表明DTG Rhopopsin故意消除了细胞质方面的H+供体，而是降低了H+传输能力，来自细胞质侧面的H+摄取过程是光电循环的速率限制因子，从而可以防止在细胞质质质质量中实现极端的碱性。我们还新发现了两种类型的内向H+泵送的视紫红蛋白（schizorhoppin，szr，szr），衍生自嗜热弓（MTSZR，MSSZR），并报告说它们具有比非嗜热物种的耐热性更高（Kawasaki等人（Kawasaki等人）（Kawasaki等人，Chem。Chem。Phys。Phys。Phys。Let。2021）。该结果推翻了常识，以前认为，在高热环境中使用的微生物视紫红质是唯一的外向H+泵，这表明嗜热物种使用更广泛的功能分子。在已知的微生物视紫红质中，MSSZR表现出最高的热稳定性。由于这些分子与非热环境中的氨基酸序列相对相似，因此预计在检查膜蛋白的热耐热机制时，它们将来将成为一个非常好的模型系统。