光駆動型内向きプロトンポンプの輸送メカニズム解明とオプトジェネティクスへの応用
【研究分野】物理化学
【研究キーワード】
光駆動内向きプロトンポンプロドプシン / ゼノロドプシン / シゾロドプシン / レチナール / 光反応サイクル / プロトン移動 / 過渡吸収分光 / 赤外分光 / ロドプシン / 内向きプロトンポンプ / オプトジェネティクス / レーザー分光 / プロトンポンプ
【研究成果の概要】
本研究課題では、研究代表者の井上らが発見した光駆動型内向きプロトンポンプであるゼノロドプシン（XeR）について、分光計測やアミノ酸改変実験により、レチナールの異性化過程やプロトン移動過程などに関する新しい知見を得た。またレチナール近傍のプロリンを変異することで、オプトジェネティクスツールとして有用な、長波長改変体を得た。
一方、新たにアスガルドアーキアなどから、XeRとは異なる第２の内向きプロトンポンプであるシゾロドプシン（SzR）を同定し、その光反応過程や三次元構造を明らかにした。メカニズムの類似性から、SzRとXeRは分子レベルの収斂進化によって同一の機能を実現していると考えられる。
【研究の社会的意義】
今回内向きプロトンポンプ機能には、①単一のレチナールシッフ塩基のカウンターイオン、②親水的な細胞質側環境と脱プロトン化したプロトン受容基、③細胞外溶媒からレチナールへの直接のプロトン結合が重要であることが明らかとされ、構造が似通った外向きプロトンポンプとの機能の違いがなぜ達成されるかを明らかにすることができた。これらの知見は膜タンパク質のイオン輸送の方向がどの様に決まるかという問いに対し、新たな回答を与えるものである。また新たに作製したPoXeRの長波長吸収型改変体は、今後透過性が高く、細胞毒性の低い長波長光での光操作のためのオプトジェネティクスツール開発の基盤になると期待される。
【研究代表者】
【研究種目】基盤研究(B)
【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31
【配分額】18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)