イオン輸送タンパク質のイオン輸送方向を決定する因子の解明：一方向性の理解と制御

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タンパク質の機能と構造の関係を知ることは、これまでにはない機能を持つタンパク質の創成につながる。我々は、外向きと内向きのプロトンポンプの構造変化を明らかにし、比較することで、プロトンの輸送方向が決定される要因を明らかにする。2019年に新しい内向きプロトンポンプのグループであるシゾロドプシンが発見された。我々は、7種類のシゾロドプシンの発色団構造の変化を、時間分解共鳴ラマン分光法を用いて明らかにした。測定の結果から、7種のシゾロドプシンで二種類のＭ中間体が観測された。早い時間帯に現れるＭ中間体は、これまでの微生物型ロドプシンと同様に、脱プロトン化状態で13-cis構造であることが分かった。一方で、遅い時間帯に現れる中間体は、脱プロトン化状態でall-trans構造をとることが明らかになった。このことは、レチナール発色団の再異性化がシッフ塩基の再プロトン化前に起こることを意味している。再プロトン化前に再異性化が起こることによって、シッフ塩基の孤立電子対の向きを細胞の外側に向けている。これにより、細胞外側からプロトンを受け取りやすくしている。このように、再プロトン化前の再異性化は、内向きのプロトン輸送に重要な構造変化であることが分かった。また、この構造変化はこれまでの微生物型ロドプシンでは観測されない、シゾロドプシンに特徴的な構造変化であった。得られた結果をもとに、7種のシゾロドプシンのアミノ酸残基を比較し、発色団の再プロトン化前の再異性化を引き起こすアミノ酸残基を推測した。比較の結果から、5つのアミノ酸残基が再プロトン化前の再異性化を引き起こすと考えられた。