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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01875/
• 关键词: タンパク質機能; 微生物ロドプシン; 機能計測; 構造解析; 分光計測

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。

Purpose this study の main た る で あ る microbial ロ ド プ シ ン の many others 発 な function is の fundamental principle の interpret た め, this year's new た は に structure に base づ い た DTG ロ ド プ シ ン の メ カ ニ ズ ム を line っ た (Suzuki et al., j. Biol. Chem., 2022). DTG ロ ド プ シ ン は, general な outgoing き H + ポ ン プ type ロ ド プ シ ン で は H + ド ナ ー residues の あ に る position, H + mobile に masato わ ら な い グ リ シ ン residues を hold つ こ と を, 徴 と す る が, そ の conveying メ カ ニ ズ ム は が い more unknown な point. そ し て tectonic analytical の results, グ リ シ ン の small さ な サ イ ズ に cause す る, cytoplasmic side の solvent か ら レ チ ナ ー ル nearly く ま で 続 く big き な cytoplasm clearance が タ ン パ ク qualitative の cytoplasmic side に exist す る こ と が Ming ら か と な っ た. ま た さ ら に グ リ シ ン を, general な H + ポ ン プ type ロ ド プ シ ン で H + ド ナ ー と し て 働 く ア ス パ ラ ギ ン acid や グ ル タ ミ ン acid に - different し た と こ ろ, H + ポ ン プ active の が see upward ら れ た. こ の こ と か ら, DTG ロ ド プ シ ン で は dare え て cytoplasmic side の H + ド ナ ー を disappear さ せ る こ と で, H + delivery to low の さ せ る generation わ り に, cytoplasmic side か ら の H + take 込 み process を light anti 応 サ イ ク ル の law speed と す る こ と cytoplasm の で, extreme な ア ル カ リ change を ぐ prevention institutions を get し た こ と が in stopping さ れ た. ま た new た に ゲ ノ ム デ ー タ parsing か ら, good heat ア ー キ ア origin の introverted き H + ポ ン プ type ロ ド プ シ ン (シ ゾ ロ ド プ シ ン, SzR) を (MtSzR, MsSzR) with two kind し, not so hot in origin の も の と than べ て い high heat-resistance を hold つ こ と を report し た (Kawasaki et al., (Chem. Phys. Lett. 2021) こ の results は, こ れ ま で heat environment で わ れ て い る microbial ロ ド プ シ ン は outgoing き H + ポ ン プ だ け だ と exam え ら れ て い た sense を fu す も の で あ り, よ り picture hiroo い function の molecular を thermophilic の kind が with い て い る こ と を shown し て い る. It is known that in で <e:1> MsSzR ロドプシ, the で and the highest <s:1> thermal stability を of <s:1> microorganisms ロドプシ <e:1> in <s:1> are を, which indicates た た. こ れ ら の molecular は non heat environment origin の も の と ア ミ ノ acid with column が comparison of general っ て い る こ と か ら, the next film タ ン パ ク qualitative の heat-resistant chemical の メ カ ニ ズ ム を adjustable べ る で, extremely め て good い モ デ ル department に な る と expect さ れ る.

项目成果

東京大学物性研究所・井上研究室

东京大学固体物理研究所井上实验室

DTGロドプシンのX線結晶構造解析

DTG视紫红质的X射线晶体结构分析

• 发表时间: 2021
• 作者: 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
• 通讯作者: 村田 武士

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

开发用于视觉再生的暗激活和光灭活 GPCR 型光遗传学工具

• 发表时间: 2021
• 作者: 上村柚紀子;吉田啓亮;Chris White-Gloria;Greg B. Moorhead;若林憲一;久堀徹;永田 崇
• 通讯作者: 永田 崇

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

从高温环境古细菌中发现的裂视紫红质的热稳定性研究

• 发表时间: 2021
• 作者: 川﨑 佑真;今野 雅恵;井上 圭一
• 通讯作者: 井上 圭一

Rhodopsins at a Glance

视紫质概览

• DOI: 10.1242/jcs.258989
• 发表时间: 2021
• 期刊: Journal of Cell Science
• 影响因子: 4
• 作者: Takashi Nagata;Keiichi Inoue
• 通讯作者: Keiichi Inoue