細胞内シグナル伝達ネットワークの光制御に向けた分子創成

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本研究では、光遺伝学の新展開として「イオンを動かして細胞を興奮・抑制させる」から「細胞内シグナル伝達系を動かす」ツールの開発を目指した。①これまでのキメラばプロトン輸送型のロドプシンを鋳型としてきたが、より大きなイオンを運ぶ分子の方がヘリックスの開閉が大きく、Gsタンパク質が接近しやすくなると期待される。そこで、ナトリウムイオン輸送型およびクロライドイオン輸送型ロドプシンを鋳型とした新規キメラ分子を作製した。興味深いことに、活性の有無は鋳型として用いるロドプシンの種類に依存することが分かった。赤外分光測定の結果、活性の無いキメラでは振動強度が野生型とほぼ同じであったが、活性の有るキメラでは野生型よりもタンパク質骨格の変化が大きくなっていた。すなわち、ヘリックス大きな開閉により相互作用部位が露出し、光依存的なGs活性につながったと考えられる。これらの成果は論文発表しており、創成したキメラ分子は新しい光遺伝学ツールとして多くの疾患の発現メカニズムの研究にも応用できると期待される。②微生物型ロドプシンとホスホジエステラーゼ（PDE）が連なった新規酵素型ロドプシン（Rh-PDE）について、より詳細な酵素活性を評価した。基質濃度依存性を調べたところ、Rh-PDEの酵素反応はミカエリスメンテンの速度論に従うことが分かった。さらに、変異体解析によりレチナール近傍の嵩高いアミノ酸が光依存的な酵素活性を示すのに重要であることが明らかとなった。Rh-PDEは暗状態でも基質分解活性を持つため、ツールとして用いるにはこの構成活性の最小化が必要である。変異体スクリーニングを行ったところ、構成活性が有意に減少し、かつ光依存的なPDE活性を保持した変異体を創り出すことができた。より精密な光スイッチ機能の実現を目指すことで、細胞内シグナル伝達の光操作技術の応用に役立ち、生命現象の解明に役立つと期待される。