2018/09/26

光駆動型イオンチャネルであるチャネルロドプシンの吸収波長シフトのしくみ

 

小田 和正(生物科学専攻 博士課程1年生)

大石 賢実(生物科学専攻 修士課程卒業)

谷口 怜哉(生物科学専攻 博士課程卒業)

山下 恵太郎(生物科学専攻 特任助教)

西澤 知宏(生物科学専攻 助教)

濡木  理(生物科学専攻 教授)

 

発表のポイント

  • 光受容タンパク質の一種であるチャネルロドプシンの中で、最も長波長に吸収波長ピークを持つChrimsonの構造を決定することに成功しました。
  • 得られた立体構造からチャネルロドプシンの吸収波長シフトのしくみを解明しました。
  • 本研究の成果により、光遺伝学への新たなツール開発が進むことが期待されます。

発表概要

光を受容するタンパク質にはさまざまな種類が存在します。その中でも藻類の光受容に関与するタンパク質のチャネルロドプシンは、特定の波長の光を受けることで細胞外側から細胞内側へと受動的にイオンを透過させるという性質を持っています。この性質を利用することで特定の神経細胞の活動を光によって制御することができることから、チャネルロドプシンは脳の複雑なはたらきを調べるためのツールとして広く使われています。

今回、東京大学大学院理学系研究科の濡木理教授らの研究グループは、チャネルロドプシンの中でも最も長波長である590 nmに吸収波長ピークを持つChrimsonと呼ばれるタンパク質の立体構造を決定することに成功しました(図1)。この構造と変異体解析から、チャネルロドプシンの吸収波長ピークは、発色団レチナールの近傍の特殊な環境によってもたらされていることがわかりました。さらに、これらの情報をもとに、野生型のChrimsonにアミノ酸変異を導入することで吸収波長がさらに長波長にシフトした改変型Chrimson(ChrimsonSA)を作成することに成功しました。

今回の成果は光受容タンパク質の吸収波長シフトに関する基本的理解につながるものです。また、長波長の光は組織透過性が高い特徴を持つことから、今回作成した改変型Chrimsonは組織のより深い位置にある神経細胞を活性化するような用途において用いられることで、脳の複雑な機構を解明するためのツールとして役立つことが期待されます。

発表内容

すべての生物は光を感受するためのタンパク質を有しています。その一種であるロドプシン類は発色団としてレチナールを有しており、バクテリアからヒトに至るまで多種多様な生物に存在し、多くの重要な機能を持っています。ロドプシン類の中でも、チャネルロドプシンと呼ばれるタンパク質は、特定の波長の光を受容することで濃度勾配にしたがってイオンを受動的に輸送するチャネルとして機能することが知られています。チャネルロドプシンを発現させた神経細胞では、外部から光を照射することでその神経活動の活性、あるいは抑制を引き起こすことができます。この技術は光遺伝学と呼ばれており、チャネルロドプシンはその主要なツールとして利用されています。光遺伝学で使用されているチャネルロドプシンの多くは480 nm周辺の青色光に吸収波長ピークを持ちますが、この波長の光は組織透過性が低く、また散乱などによる影響も大きいことから、脳の深い位置の神経細胞を活性化するためには、手術によってファイバーを埋め込んだりするなどの工夫が必要であるという問題もあります。

今回、東京大学大学院理学系研究科の濡木理教授らの研究グループはX線結晶構造解析の手法を用いて、最も長波長である590 nmに吸収波長ピークを持つチャネルロドプシンであるChrimsonの立体構造を決定することに成功しました(図1)。

 

1. Chrimsonの結晶構造
分子の中央に発色団であるレチナールが結合している

 

Chrimsonの吸収波長はこれまで明らかにされていた青色光周辺に吸収波長ピークを持つチャネルロドプシンの構造と比較すると、Chrimsonは発色団であるレチナールの周辺のアミノ酸残基に大きな違いがあることが明らかになりました(図2)。

 

2.  レチナール周辺の構造比較
今回明らかになったChrimson(左)はすでに報告されていた青色光を吸収光に持つクラミドモナス由来のチャネルロドプシン(右)とは大きく異なるアミノ酸残基を持っている

 

構造情報をもとにしたアミノ酸の変異体解析の結果から、Chrimsonの長波長シフトは 1)レチナールのシッフ塩基(注1)周辺のアミノ酸のチャージ状態の違い、2)レチナール周辺の親水性アミノ酸分布の偏り、3) レチナール周辺の空間の狭さ、という3つの要素によって実現していることがわかりました。また、これらの知見をもとに、親水性アミノ酸の偏りをさらに強めるような変異体を作成することで、野生型のChrimsonよりもさらに吸収波長が長波長にシフトした変異体を作製することに成功し、この変異体をChrimsonSA(S169A, Super red-shifted and Accelerated)と名付けました。さらに、ChrimsonSAを発現させた神経細胞は短波長側の光では活性化しづらく、長波長の光によって選択的に活性化を引き起こせることから、光遺伝学において有用なツールとして用いることができることを示しました。

今回明らかになったチャネルロドプシンの吸収波長シフトに関する分子機構は、光遺伝学の新たなツール開発の基盤になると同時に、ChrimsonSAに関してもさらに改良を加えてより使いやすくすることで、脳の複雑なはたらきを調べるための重要なツールとして使われるようになると期待されます。

 

発表雑誌

雑誌名 Nature Communications(2018, Sept. 26)
論文タイトル Crystal structure of the red light-activated channelrhodopsin Chrimson
著者

Kazumasa Oda, Johannes Vierock、Satomi Oishi, Silvia Rodriguez-Rozada, Reiya Taniguchi, Keitaro Yamashita, J. Simon Wiegert, Tomohiro Nishizawa, Peter Hegemann, Osamu Nureki(※責任著者)

DOI番号 10.1038/s41467-018-06421-9
論文URL

 

 

 

用語解説

注1 シッフ塩基

発色団であるレチナールとタンパク質のもつリジンアミノ酸の化学結合様式の呼称

 

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―