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トピックス〔ビタミン 97 巻トピックス

新規な光異性化経路を有する微生物型ロドプシンの発見
Discovery of novel microbial rhodopsin having unusual photoisomerization process

レチナール（ビタミン A アルデヒド）を発色団とす基とプロトン化シッフ塩基結合（PSB）を形成する．レ

る光受容タンパク質はロドプシンと呼ばれ，自然界にチナール分子は光を吸収すると異性化し，それがタンおいてこれまでに，動物・植物・真菌・真正細菌・古パク質部分の構造変化を誘起する．そしてロドプシン

細菌といった広範な生物種から数千種以上のものが単は様々な中間体を経由することによりその機能を発揮離同定されている．ロドプシンは，レチナールを包含する．動物型ロドプシンは，11 シス - レチナールを発する 7 回の膜貫通領域を共通してもつ膜タンパク質で色団とし光吸収により全トランス - レチナールへ異性あり，そのアミノ酸配列から動物型ロドプシンと微生化するのに対して，微生物型ロドプシンは，全トラン1）

物型ロドプシンに分類される ．動物型ロドプシンは，ス - レチナールを発色団とし光吸収により 13 シス - レ三量体 G タンパク質共役型受容体であり光センサーチナールへ異性化することが知られている（図 1）1）．

（主として視覚機能）として機能を発揮するが2）3），微

近年においても新しいロドプシンの発見が相次いで生物型ロドプシンは光駆動イオンポンプ，光開閉イオいるが，発色団レチナールの異性化方向が全トランスンチャネル，光センサー，光活性化酵素など機能的に型から 13 シス型とは異なる微生物型ロドプシンが発異なるグループに分類される 4）5）．両者は，タンパク見された．そのひとつは藻類より単離されたベストロ質部分のアミノ酸配列の相同性がなく異なる祖先分子ドプシンであり，通常のロドプシンドメイン（７回膜が独立に進化してきたものと考えられているが，タン貫通構造）の N 末端側にもうひとつ膜貫通領域を持つパク質の立体構造や発色団レチナールを結合する特徴

ユニークな 8 回膜貫通構造に加えて，C 末端側にベスなど，共通点も多くみられる．

トロフィン様イオンチャネルドメインを持つ．光を吸ロドプシン中のレチナールのアルデヒド基は，タン収するとレチナールは全トランス型から 11 シス型へパク質（オプシンと呼ぶ）のアミノ酸配列中のリシン残異性化し，イオンチャネルの機能を発揮する 6）．もう図1

ロドプシン類の光異性化反応

8 号（8 月）2023〕

トピックス

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ひとつは，真菌 Rhizoclosmatium globosum より単離さにあるため，この中間体のレチナールシッフ塩基結合れたネオロドプシンであり，ロドプシンドメインの Nは，これまでの微生物型ロドプシンでみられたプロト末端側にもうひとつの膜貫通領域を持つことに加えてン化状態ではなく脱プロトン化していると考えられた

C 末端側に酵素ドメインが融合し，光により酵素作用を発揮する 7）．別の真菌 Obelidium mucronatum より単（図 2）．
レチナールを有機溶媒中で光照射すると，生成する離されたネオロドプシンの解析で，光を吸収するとレ異性体の大部分はモノシス体で，その構造は 13 シス型，チナールが全トランス型から 7 シス型へと異性化する

11 シス型および 9 シス型がほとんどで 7 シス型はほとことが示され，レチナールの異性化方向が極めて特徴

んど得られないことが知られている 9）．実際，我々が8）的であることが判明した ．さらに，レチナール異性行った全トランス - レチナールの蛍光灯照射後の化後に生成する活性中間体の吸収極大波長は紫外領域

HPLC 分析でも同様な結果が得られている（図 3）．

図2

図3

新規な光異性化経路を持つ微生物型ロドプシン類

全トランス - レチナールの蛍光灯照射後の HPLC クロマトグラム

376〔ビタミン 97 巻トピックス

レチナールの 7 シス - 異性体が得られないのは，異ものは非常に稀であった．ベストロドプシンの吸収極性化後の 5 位のメチル基と 9 位のメチル基，あるいは大波長は 660 nm，ネオロドプシンの吸収極大波長は1 位のジメチル基と 9 位のメチル基との立体反発が大690 nm であり，これまでのものと比べて大きく長波長きく（図 2 で示すどちらのコンホメーションをタンパシフトしていることもこれらのロドプシン類の特徴のク質中でとっているかは明らかとなっていない），側ひとつとなっている．

鎖部分が大きくねじれる必要があり極めてエネルギー

近年，チャネルロドプシンを脳の神経細胞に発現さ的には不安定で不利となっているためである．ネオロ

せ，その神経細胞の活性を光で操作する技術が開発さドプシンにおいてレチナールが７シス型に光異性化でれてオプトジェネティクスと呼ばれる 11）12）．神経科学

きることは，異性化後にタンパク質部分がレチナールの研究領域では，ある行動や現象を司る神経細胞を同の 7 シス型構造を堅固に固定化しているためと思われ定するため，他の細胞に影響することなく脳内の特定る．の細胞の活性だけを制御する方法が求められていた．

また，このタンパク質による発色団の固定化は，光電極や薬剤を用いて刺激を行う従来の方法に比べて，反応にも大きく関与していると考えられる．通常，微光で刺激を行う方法は，低侵襲的に特定の細胞の活性生物型ロドプシンは，液体窒素温度のような低温下でのみを制御できる画期的な方法・技術となっている．

光照射しても，レチナールの異性化にともなって光反そのため，オプトジェネティクスは非常に有用な研究応する 1）．しかし，ネオロドプシンは，マイナス 3 度分野であり，脳神経の機能解明に大きく貢献するととで光照射をしても室温の半分程度の光反応しか示さもに脳神経変性疾患や精神神経疾患の発病メカニズムず，それ以下の温度ではほとんど光反応しなかった．の解明へとつながることが期待される．光は波長によ

このことは，ネオロドプシンでは励起状態において全りエネルギーが異なるため（波長が長いほどエネルトランス型から 7 シス型への異性化に非常に高い反応ギーは小さくなる），チャネルロドプシンを活性化すエネルギー障壁が存在しており，この障壁を作り出する光は，毒性が小さい長波長のものの方が有用と言わためにタンパク質部分が大きく寄与している可能性をれている．これまでにも長波長光で活性化されるチャ示している．ベストロドプシンにおいても，マイナスネルロドプシンが単離されてきた 13）14）が，今回紹介し100 度ではわずかに光反応を示すものの，それ以下のたベストロドプシンおよびネオロドプシンは近赤外光

温度では全く光反応しないことが判明した．このようを吸収できることから，今後のオプトジェネティクスに低温で光反応しないのは，ネオロドプシンと同様にへの応用が期待されるところである．

タンパク質部分との相互作用によって，レチナールの11 位での異性化に比較的高いエネルギー障壁ができて

Key words :bestrhodopsin, neorhodopsin, 11-cis-retinal,9-cis-retinal, unusual photoisomerization

いるためと思われる．
ベストロドプシンにおいてみられるレチナールの全トランス型と 11 シス型との変換は，動物型ロドプシ

1

Department of Biophysics, Graduate School of Science,

1）

Kyoto University, Kyoto 606-8502

ンにおいて広くみられる ．また，ネオロドプシンにおいてみられるレチナールの全トランス型と 7 シス型2との変換は，動物型ロドプシンにおいても観察の報告

Pharmaceutical University, Kobe 658-8558がある

10）．微生物型ロドプシンと動物型ロドプシンは，Laboratory of Organic Chemistry for Life Science, Kobe

Takahiro Yamashita1, Akimori Wada2

同じレチナールを発色団として用いながら，レチナー

1

京都大学・大学院理学研究科・生物物理

ルの光異性化経路は異なると考えられてきたが，一部

2

神戸薬科大学・生命有機化学

では共通の光異性化経路を持つものを進化的に創製し山下高廣 1，和田昭盛 2ていたと言える．
ヒトの視覚は桿体視細胞のロドプシン（吸収極大波

利益相反自己申告：申告すべきものなし

長：500 nm）と錐体視細胞の 3 種類の錐体視物質（吸収極大波長：420 nm，535 nm，565 nm）により担われるため，これらがカバーできる 400 〜 700 nm が可視光の波長領域と定義されている．これまでの様々なロド
プシンの吸収極大波長をみると，400 nm よりも短波長のものはよく知られるものの，600 nm よりも長波長の（2023.5.24 受付）8 号（8 月）2023〕

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トピックス

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