新型の光応答性タンパク質であるヘリオロドプシンの構造を解明

機能物性研究グループ

井上 圭一

ロドプシン(注１）はヒトの目の中で視覚を担う膜タンプシン、動物ロドプシンが N 末端側を細胞外側に向けてパク質の 1 つで、光を認識し、視神経へ信号を伝えるためいるのに対して、ヘリオロドプシンは N 末端側を細胞内の初期反応を担う。タンパク質内部に結合したビタミン Aに向けていると予測されている。しかし本当にそのようなの誘導体色素であるレチナール(注２)が光によって異性化構造を持っているのか、明らかとはなっていなかった。さしタンパク質の構造を動かすことで、情報伝達分子であるらにヘリオロドプシンを持つ生物種の多くはレチナール生三量体 G タンパク質(注３)を活性化する。細菌などの微合成系をもっておらず、環境中に存在するレチナールを取生物にもロドプシンは存在し、その多くは光によってイオり込んで機能すると推測されていたが、その機構は不明でンを細胞内外に輸送する。そうした微生物ロドプシンを動あった。

物の脳神経細胞に発現させ、神経興奮や抑制を光で制御す

そこで今回東京大学・濡木理教授、志甫谷渉日本学術振ることによって動物の行動を操作するオプトジェネティク

興会特別研究員および名古屋工業大学・神取秀樹教授らのス(光遺伝学、注４)技術が近年新たに開発され、ロドプシグループと共にヘリオロドプシンの構造解析に取り組んだ

ンファミリーは基礎・応用両面から注目されている。

結果、古細菌由来のヘリオロドプシンの X 線結晶構造解析

2018 年に、今までのロドプシンとはアミノ酸配列が大に成功した。さらに生物物理学的解析を専門とする分子科きく異なるヘリオロドプシンが発見された(図 1)。ヘリオ学研究所(現・名古屋工業大学)・古谷祐詞准教授や名古屋

ロドプシンは古細菌や真正細菌のほか、藻類などの真核生大学・内橋貴之教授、金沢大学・柴田幹大准教授と共同研物や巨大ウイルスから 500 種類以上発見されており、第 3究を行い、ヘリオロドプシンの構造と機能の相関についてのロドプシンというべき存在である。ヘリオロドプシンは詳細に解明した。

代表的な微生物ロドプシンであるバクテリオロドプシン

ヘリオロドプシンの膜貫通領域の構造はバクテリオロド(注５)と同様にレチナール色素を持つが、微生物由来のロプシンと類似し、低い配列相同性にも関わらず両者が共通ドプシンに特徴的なイオンを輸送する性質はない。さらにした構造を持つことが明らかとなった(図 2)。

光反応サイクルが遅いことから、ヘリオロドプシンは未知の情報変換分子を介した光情報伝達に関わるものと推測されている。

図 2 ヘリオロドプシンの全体構造。左は結晶中での二量体構造。
右図はバクテリオロドプシンの構造との重ね合わせ。

さらに、バクテリオロドプシンとよく似た形でレチナー
図 1 微生物ロドプシン(左)、動物ロドプシン(中)とヘリオロドプシン(右)ルがリジンに共有結合していたことが分かった。一方、細ヘリオロドプシンは動物や微生物由来のロドプシンと同では隣の分子の上を覆うことで密な二量体を結晶構造中で様に 7 回膜貫通構造を持つと考えられ、そして微生物ロド形成していた。高速原子間力顕微鏡(AFM)観察(注６)に

1

物性研だより第 60 巻第 1 号

胞外ループは伸びたシート構造をとっており、結晶構造中■■ ■■ ■ ■ ■

よって、この二量体が脂質二重膜中の生理的な条件でも保ヘリオロドプシンの構造では、レチナールの上に今までたれていることを確認し、ヘリオロドプシンは基本的に二のロドプシンにはみられない、大きな横穴が存在していた量体として機能することを明らかにした(図 3)。

(図 5)。この穴を塞ぐようにヘリオロドプシンのアミノ酸を変異させると、レチナールの再構成効率が大きく低下した。
したがって、この横穴はヘリオロドプシンが環境中からレチナールを効率的に取り込むために重要だと考えられる。

図 3 高速 AFM を用いた脂質膜内でのヘリオロドプシンの観察。
結晶構造と同様な二量体が観察できる。

さらに細胞に発現させたヘリオロドプシンの N 末端、C末端に異なる蛍光タグをつけることで、1 細胞イメージングを行い、確かにヘリオロドプシンは他のロドプシンと逆

図 5 予想外に発見されたヘリオロドプシンの横穴。レチナールのイオノン環の上部に、大きな穴があいている。これは、直上にあるアミノ酸残基が側鎖のないグリシンになっているためである。
精製したヘリオロドプシンのレチナールをヒドロキシルアミンを用いて解離させ、その後レチナールを再構成する実験を試みた結果、横穴を塞ぐ変異体 G171W ではレチナールは全く再構成されなかった。の膜トポロジーを持つことを明らかにした(図 1)。
ヘリオロドプシンの細胞外側は疎水的なアミノ酸残基で本研究では、ヘリオロドプシンの立体構造が初めて決定塞がっており、イオンや基質が通る隙間は存在しなかった

されたが、ヘリオロドプシンはバクテリオロドプシンとは(図 4)。こうしたアミノ酸残基はヘリオロドプシンの間でアミノ酸配列が大きく異なり、さらに膜に対する向きが反保存性が高く、全てのヘリオロドプシンは微生物ロドプシ転しているにもかかわらず、 構造やレチナールの結合様ンのような輸送体としては機能できないと推測された。一式に多くの類似性がみられた。しかし、イオン輸送能がな方、細胞内側はレチナールから細胞内ループにわたって、いことから、ヘリオロドプシンが関与する新規の光シグナ水分子を介した広範な親水性相互作用が存在しており、光ル伝達システムが存在する可能性が高く、その解明に向け受容に伴うヘリオロドプシンの構造変化に重要であると考た今後のさらなる研究が期待される。また、こうした類似えられた。また時間分解赤外分光解析により、長寿命の O性は、「ロドプシン」というものが配列の縛りに囚われず中間体における特徴的な構造変化が 1 秒間以上、持続するに環境中にたくさん存在する可能性を示唆している。今後ことも明らかにされた。

本構造情報を活用した配列解析によって、さらなる新型ロドプシンの発見が期待される。

謝辞：本研究は東京大学大学院理学系研究科の濡木理教授、志甫谷渉日本学術振興会特別研究員、および名古屋工業大学生命大学院工学研究科・神取秀樹教授、名古屋大学大学
院理学研究科・内橋貴之教授、金沢大学新学術創成研究機
構ナノ生命科学研究所・柴田幹大准教授、分子科学研究所(現・名古屋工業大学)・古谷祐詞准教授らの研究グループとの共同研究によって行われた。
図 4 ヘリオロドプシンの分子内相互作用。左図は分子の内側を向いているアミノ酸を一覧で示している。右図は空間充填モデルの切断面であり、細胞内外に閉じていることがわかる。

■■■■ ■■■

また本研究は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業(CREST)研究領域「光の特性を活用した生命機能の時空間制御技術の開発と応用」(研究総括：影山龍一

物性研だより第 60 巻第 1 号2郎)研究課題「細胞内二次メッセンジャーの光操作開発と団レチナールをもつため紫色をしている。光駆動プロトン応用」(研究代表者：神取秀樹)の一環として行われた。

ポンプとしてエネルギー変換機能を担う。初めて立体構造が解明された膜タンパク質の 1 つ。

掲載論文：Shihoya, W., Inoue, K., Singh, M., Konno, M.,（注６）高速原子間力顕微鏡(AFM)：柔らかい板バネのHososhima, S., Yamashita, K., Ikeda, K., Higuchi, A.,

先に付いた針の先端で試料に触れ、試料の表面形状を可視

Izume, T., Okazaki, S., Hashimoto, M., Mizutori, R.,

化する顕微鏡。針と試料の水平方向の相対位置を変えながTomida, S., Yamauchi, Y., Abe-Yoshizumi, R., Katayama,

ら試料表面の高さを計測することにより、試料の表面形状

K., Tsunoda, S. P., Shibata, M., Furutani, Y., Pushkarev,を可視化する。試料の表面を高速(最速 16 フレーム/秒)にA., Béjà, O., Uchihashi, T., Kandori, H., Nureki, O.

スキャンすることにより試料の動きを可視化することがで“Crystal structure of heliorhodopsin.” Nature (2019) 574,

きる。

132-136.
（注１）ロドプシン：補因子としてレチナールを結合した
7 回膜貫通タンパク質。一次構造の違いにより微生物ロドプシン、動物ロドプシンに分類される。微生物ロドプシン
は真核生物、真正細菌、古細菌より発見されており、光に応じてイオンを運ぶものやシグナルを細胞内に伝えるなど、さまざまな機能を持つロドプシンが存在する。
（注２）レチナール：光を吸収することで、物質に色を付けられる官能基のことを発色団と呼ぶ。ロドプシンでは、レチナールと呼ばれるビタミン A の誘導体が発色団として働いている。多くの場合、この発色団であるレチナールはロドプシンのリジン残基と結合して存在している。光を吸収すると構造を変化させることによって、視覚を始めさまざまな現象に関与する。
（注３）三量体 G タンパク質：細胞内情報伝達に関わるGTP 結合タンパク質であり、ロドプシンのような 7 回膜貫通ヘリックス構造を持つ受容体タンパク質により活性化される。G タンパク質共役型受容体(GPCR)として総称される受容体は視覚などの感覚だけでなく、神経伝達物質やホルモンなどの情報伝達に関わり、創薬の重要なターゲットとなっている。
（注４）オプトジェネティクス(光遺伝学)：光学(optics)と遺伝学(genentics)を合わせた造語であり、創始者のDeisseroth 博士により名付けられた。2005 年に行われた最初の実験では、微生物由来のチャネルロドプシンを神経細胞に発現させ、光で神経を興奮させることにより神経の発火活動を制御に成功し、脳機能解明のための新手法として期待されている。オプトジェネティクスの語は現在では光で生物の活動を制御・操作する手法に対して広く使われる。
（注５）バクテリオロドプシン：代表的な微生物ロドプシン。高度好塩菌の細胞膜に存在する膜タンパク質で、発色3

物性研だより第 60 巻第 1 号■■ ■■ ■ ■ ■