真核生物の祖先に最も近縁なアスガルド古細菌の持つ、新奇光受容タンパク質の機能を解明

機能物性研究グループ
研究の背景
私たちヒトを含む動物や、植物などは細胞の中に遺伝情報をコードした DNA を包む核を持ち、真核生物と呼ばれる。

井上 圭一

らかになっておらず、アスガルド古細菌が一体何のためにシゾロドプシンを使って光を利用しているのかはよくわかっていなかった。

一方で大腸菌など原始的な生物は細胞内に核を持たず原核生物と呼ばれ、地球の歴史上、どの様にして原核生物から研究の内容真核生物が生まれたのかはいまだに大きな謎とされている。

そこで今回我々は、名古屋工業大学生命大学院工学研究その中で、近年アスガルド古細菌と呼ばれるグループの科・神取秀樹教授、角田聡特任准教授、イスラエル工科大

原核生物が、ゲノム配列の比較から真核生物に最も近いこ学・Oded Béjà 教授、チェコ科学アカデミ・Rohit Ghai 教とが明らかとなってきた。しかし一般にアスガルド古細菌

授、名古屋大学大学院理学研究科(兼・自然科学研究機構

は光や酸素の届かない海底や湖底の泥の中に生息している生命創成探究センター(ExCELLS)客員教授)・内橋貴之教授、ことから、どの様にして多くの真核生物が棲む、光や酸素(自然科学研究機構 生命創成探究センター(ExCELLS)・渡のある環境に進出できたのか、その進化的なプロセスが不辺大輝特任助教・らの研究グループと共に、シゾロドプシ

明であった(図１)

ンの機能を調べるため、大腸菌やホ乳類の細胞にその遺伝子を導入し、タンパク質を大量に発現させることを試みた。
その結果大腸菌の細胞中に大量のシゾロドプシンを発現させることに成功した。そしてその機能を解析したところ光を照射すると細胞内に水素イオンを輸送する、内向き水素イオンポンプ機能を持つことが明らかとなった(図 2)。
この様に光で細胞内に水素イオンを輸送するロドプシンは、近年深海などで見つかった、古細菌とは進化的に遠く離 れ た 一 部 の 細 菌 で の み 知 ら れ て い ま た が (Inoue etal., Nat. Commun. 7, 13415 (2016))、この発見により真核生物に進化する直前のアスガルド古細菌も、光を使って細図 1

最初の真核生物は、太古の地球上でアスガルド古細菌に近胞内に水素イオンを取り込んでいることが初めて示唆され縁な原核生物から進化したと考えられている。一方で既知のアスた。またさらにシゾロドプシンは海洋に広範に棲む未知のガルド古細菌は全て酸素のない、海底や湖底の泥の中に棲息して微生物グループにもあることが本研究の中で見いだされた。

おり、どのようにして、太陽の光や酸素が豊富な環境に棲む真核生物へ進化したのかはわかっていない。

次に、研究グループはシゾロドプシンがどのようにして光エネルギーを使って、細胞内へ水素イオンを運ぶのか、

2019 年初め、我々の共同研究者であるチェコ科学アカその分子メカニズムを明らかにするために、タンパク質をデミーの Rohit Ghai 博士らのグループが、ルーマニアか精製してその性質を詳細に調べた。その結果、アスガルドら新たに発見されたアスガルド古細菌の遺伝子情報を調べ古細菌のシゾロドプシンは主に 557 nm の光を、海洋性微たところ、光のエネルギーを使ってさまざまな生理機能を生物のものは 542 nm の光を吸収することが示され、棲息発揮するロドプシン(注 1)の中で、これまでにないタイプする環境や生物種によって利用する光の波長(色)が異なるのものをこれらのアスガルド古細菌が持つことが明らかとことが示唆された。またさらに分子全体の構造を高速原子なった(Bulzu et al., Nat. Microbiol. 4, 1129-1137 (2019))。

間力顕微鏡で観察したところ、同一の 3 つの分子が集まっこの新しいタイプのロドプシンはシゾロドプシンと名付けた三量体構造を持つことが明らかとなった。

られたが、具体的に光でどのような機能を発現するのか明1

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図 2 大腸菌(左)とホ乳類細胞(右)を用いて調べられたシゾロドプシンの内向き水素イオン輸送を示す実験結果。図中の写真はシゾロドプシンを発現させた大腸菌の菌体で、シゾロドプシンによる赤紫～ピンク色の着色が見られる。従来の細菌が持つ別のグループの内向き水素イオンポンプ(PoXeR、NsXeR)よりも、シゾロドプシンによる水素イオンの輸送量は大きい。

さらに、光を吸収した際にタンパク質の中で起こる反応やオンの移動に関わることが示唆されており、今回の研究で分子構造変化を、ナノ秒レーザーを用いた高速分光計測やは少なくとも 4 つのアミノ酸が特に重要な役割を持つことが、高精度の赤外分光計測で解析したところ、シゾロドプシン

アミノ酸改変体タンパク質を用いた実験で示された。

はレチナールとタンパク質内外の溶媒との間で、水素イオンをやり取りすることで、細胞内へ一方向的に水素イオンを輸送することが明らかとなった(図 3)。この際、タンパク質を構成する複数のアミノ酸がタンパク質内部での水素イ今後の展望
本研究は、アスガルド古細菌が真核生物への進化の過程において、太陽光と酸素のある環境へ進出する際に、独自の光駆動型の内向き水素イオンポンプロドプシンを持つようになったことを示唆しており、今後は、本来のアスガルド古細菌の中で細胞の内向き水素イオン輸送がどのような役割を果たすのか、その解明に向けた研究が必要になると考えられる。
また本研究で明らかになったシゾロドプシンの輸送メカ
ニズムは、ヒトなどの体内に存在するイオン輸送タンパク質が、どのようにして輸送するイオンの種類や方向を決定するのかという、大きな問題に新たな知見を与えるものであり、他のタンパク質の分子メカニズムの理解へつながると期待されます。さらに、脳の神経細胞が関連するうつ病などの発病メカニズムの研究や、血液の酸性化に伴う細胞疾患であるアシドーシス(注 2)などの機構解明に向けた分

図 3 本研究で明らかになったシゾロドプシンの分子内部における水素イオン(H+)輸送メカニズム。

■■■ ■■ ■■子ツールとして、シゾロドプシンの医学研究への応用も期待されます。
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2謝辞
本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費助成事業、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業(さきがけ「新規光受容タンパク質が先導する新しいオプトジェネ
ティクス(研究者：井上 圭一)」、CREST「細胞内二次メッセンジャーの光操作開発と応用(研究代表者：神取 秀樹)」
、さきがけ「新規酵素型ロドプシンを用いた視覚再生の挑戦(研究者：角田 聡)」)による支援を受けて行われました。

掲載論文：K. Inoue, S. P. Tsunoda, M. Singh, S. Tomida,
S. Hososhima, M. Konno, R. Nakamura, H. Watanabe,
P.-A. Bulzu, H. L. Banciu, A.-Ş. Andrei, T. Uchihashi, R.
Ghai, O. Béjà & H. Kandori. “Crystal structure ofheliorhodopsin.” Nature (2019) 574, 132-136.
(注 1)ロドプシン
動物から細菌などの微生物まで、幅広い生物種の細胞膜上に存在し、太陽光を吸収して様々な生物学的機能を発現するタンパク質。動物の持つロドプシンは視覚など光に関わるシグナル伝達を行う受容体であるのに対し、微生物の持つロドプシンの多くは光のエネルギーを使ってイオンを輸送する。従って、その機能は互いに大きく異なり、また進化的にも全く別系統であるにも関わらず、光を吸収するために共にビタミン A の誘導体であるレチナール色素をタンパク質内部に結合し、７本の膜を貫通するらせん(ヘリックス)からなるタンパク質構造を持つなど多くの共通点がある。
(注 2)アシドーシス
ヒトの血液は通常中性付近に保持されているが、何らかの原因で血液が酸性化する疾患。酸性化すると血中に大量の水素イオンが生じ、組織や細胞へ障害をもたらすことがある。

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