新奇な微生物型ロドプシンの光機能およびその光反応メカニズム井上 圭一
Keiichi Inoue
東京大学 物性研究所〒277-8581 千葉県柏市柏の葉 5 丁目 1-5 東京大学物性研究所 A401 号室
E-mail: inoue@issp.u-tokyo.ac.jp

１．微生物のロドプシン

ドプシンの発見は 1876 年に遡り，網膜中に存

太陽は地球上に棲む全ての生物の源であり，在し，可視光に反応する物質としてその存在が生き物たちは光エネルギーを，生理活動を駆動記録されている．それをもとに後年ギリシア語するエネルギー源や，周辺の環境を認識するたでバラ色を表す rhódon と視覚を表す ópsis をめの情報源として利用し，自身の生存に役立て組み合わせて rhodopsin という名が付けられた．ている．そして生物の光利用戦略の中で最も身その後およそ 100 年にわたるヒトをはじめ近なものとして，我々ヒトを含めた動物が持つとする様々な動物のロドプシンが研究され，視覚と，植物の行う光合成が挙げられる．

動物の視覚におけるその役割が次第に明らか

このうち光合成は，植物の葉緑体などに存在とされていった．ところが 1971 年に飽和塩濃する光化学系と呼ばれる巨大タンパク質とク度環境下で棲息する高度好塩古細菌の一種でロロフィル色素の複合体が，太陽光のエネルギある Halobacterium salinarum が動物のロドプシーを吸収し，高効率で電荷分離反応を起こすこンに酷似した，レチナールを発色団とする膜タとで，アデノシン三リン酸（ATP）や炭水化物ンパク質を持つことが報告された[1]．このタの合成に必要な化学エネルギーを作り出す．

ンパク 質はバ クテリ オロ ドプシン

一方，動物の視覚では，目のレンズを通って（bacteriorhodopsin， BR）と名付けられたが，入射する光を，網膜中に存在する光受容膜タン目を持たない単細胞生物である古細菌の細胞パク質であるロドプシンが捉え，視神経を通じ内で，一体どの様な役割を果たしているか，発てその情報を脳に伝達することで，目で見た物

見当初は不明であった．しかしそれに続く研究体の形や色が認識される．動物型のロドプシンによって，BR は光のエネルギーを使って水素は，ヒトなどの動物の細胞内でホルモンや外来物質など様々な小分子リガンドを認識する G
タンパク質共役型受容体（GPCR）の一種であり，７回膜貫通型構造の中心に発色団としてビタミン A の誘導体である 11-cis 型のレチナール色素を結合している．そしてレチナールが光を吸収すると all-trans 型への光異性化が起こり，それがさらにタンパク質部分の構造変化を引き起こすことで，視細胞内の特殊な G タンパク質（トランスデューシン，Gt）を活性化し，視覚情報を伝達する神経活動が誘起される．ロ

図１．微生物ロドプシンの基本構造（上）とその多様な機能（下）イオン（プロトン，H+）を細胞内から細胞外へンⅡ（SRII）であった．SRII は細胞膜中で巨大輸送する機能を持つことが明らかになり，ATPなトランスデューサータンパク質（HtrII）と相合成の駆動力となるプロトン濃度勾配を作り互作用し，SRII の光活性化に伴って HtrII にそ出す，光－化学エネルギー変換タンパク質であの情報が伝達され，さらに HtrII が細胞内の Cheることが示された[2]．これによりそれまで唯タンパク質群を制御することで，細胞のべん毛一と考えられていた動物の視覚に関わるロドの回転パターンが変化し，青色光からの忌避行プシンとは別に，古細菌は進化的に独立した別動が誘発される．しかし当時どの様にして SRII個のロドプシンを持ち，その目的もエネルギーからシグナルを受け取った HtrII が細胞内へ情変換という全く異なるものであることが明ら報を伝達するのかは分かっていなかった．

かとなった（図 1）．その後の研究により古細菌

この理由の一つに発色団を持たず分光学的だけでなく多くの細菌や真核微生物，巨大ウイに観察が難しい HtrII の構造変化を，高い時間ルスまでが BR に近縁のロドプシンを持ち，そ分解能で捉える事ができる手法がなかったこ

れらには BR の様な外向き H+ポンプだけでなとが挙げられる．そこで私は指導教官であった

く，内向き塩素イオン（Cl−）ポンプや走光性の寺嶋正秀教授が開発された過渡回折格子（TG）センサーなど多様な機能を分子が含まれ，現在法を SRII-HtrII 複合体の光反応観察に応用し，ではこれらを総称して微生物型ロドプシンとシグナル伝達過程の解明を試みた．TG 法では呼ばれている[3]．

分子の体積変化や拡散定数変化を観測するこ２．
センサリーロドプシンのシグナル伝達過程とで，発色団を持たない分子であっても室温溶

この中で私は，2002 年に神戸大学理学部化液中において高感度・高時間分解能でタンパク学科から京都大学理学研究科化学専攻の寺嶋質の構造変化を捉えることができる．そして正秀教授の研究室に進学し，そこで初めて微生

SRII-HtrII 複合体の TG 測定を行ったところ，物型ロドプシンを対象とした研究をスタート

光反応に伴い複合体の溶液中の並進拡散係数した．その時に研究対象としたのが，古細菌がが大きく低下することが示された．さらに分子青色光を避ける遊泳運動である負の走光性の生物学的に HtrII 部分の長さを変えた実験によセンサーとしてはたらく，センサリーロドプシって，この拡散係数の低下は HtrII の膜貫通領域から細胞質側へ伸びる HAMP ドメインと呼ばれる領域のα－ヘリックス構造が崩壊し，溶媒と多数の水素結合を新たに形成することで生じたものであることが明らかとなった（図２）．このことから SRII から HtrII を経て細胞内へとシグナル伝達が行われる過程で，α－ヘリックス構造の大きな変化が密接に関連していることを，TG 法を応用することで初めて明らかとすることに成功した[4]．
３．ナトリウムポンプ型ロドプシン
その後 2007 年に学位取得後は東京工業大学

図２． TG 法によって明らかにされた，SRIIからのシグナル伝達に伴う HtrII の構造変化

資源化学研究所（現化学生命科学研究所）の藤井正明教授と酒井誠准教授（当時）の研究室にポストシリコン事業教員として研究に従事し，ウムイオン（Na+）の放出が見られた．この結この間も SRII 以外のセンサー型ロドプシンの果から KR2 は光のエネルギーを使って Na+を研究を継続し，さらに 2009 年からは名古屋工輸送する Na+ポンプ型ロドプシンであること

業大学大学院工学研究科未来材料創成工学専が見出された（図３）．KR2 以前にはこのよう攻（現生命応用化学専攻）の神取秀樹教授の研な機能を持つタンパク質は知られておらず，海究室において，助教，その後准教授として H+洋に棲む細菌が光のエネルギーを用いて，細胞ポンプ型や Cl ポンプ型など，より多様な微生内に流入する Na+イオンの排出に用いている物型ロドプシンについて主に分光学的な研究ことが明らかとなった[5]．

−を行い，その機能メカニズムについて新たな知しかし KR2 の Na+輸送メカニズムについて考えると，この分子がどの様にして Na+を一方見を報告した．
一方，この頃から次世代シーケンサーに代表向的に輸送するのか数多くの疑問が持たれた．

されるようなゲノム配列の解析技術の進展に特に，一般的にイオンポンプ型のロドプシンは，伴い，膨大な数の微生物のゲノム上にロドプシ輸送するイオンを光を吸収する前の暗状態にン遺伝子が続々と発見されるようになった．こ

おいてタンパク質内部に結合し，光エネルギーの中で，我々は東京大学大気海洋研究所・木暮を獲得すると直ちにそれを輸送するが，KR2 に一啓教授，吉澤晋准教授らと共に，東京湾に棲はその様な Na+をタンパク質内には結合してむ海洋性の細菌である Krokinobacter eikastus が， おらず，高い輸送効率を達成するには一見不利
これまで報告例のないアミノ酸配列のロドプのように見受けられた．また分子の中央にあるシン遺伝子（KR2）を持つことに着目した．まレチナールはプロトン化し，正の電荷を持ってたこの細菌は一般的な H+ポンプ型ロドプシンいるため，それとの静電反発をどの様に乗り越と思われるアミノ酸配列を持つ遺伝子（KR1）えて輸送が行われるのかも不明であり（このよも持つが，まずはその機能を調べるため，大腸うな問題から KR2 の発見まで，Na+ポンプとし菌に KR1 もしくは KR2 の遺伝子それぞれを導て働くロドプシンは存在し得ないとも考えら入し，細胞内にタンパク質を発現させたところ，れていた），その輸送メカニズムについて多く

KR1 は予想通り H+を外向きに輸送するのが観の不明な点が存在した．

察されたのに対し，KR2 を発現させた大腸菌

そこで KR2 の輸送メカニズムを明らかにすに光を照射すると細胞内から細胞外へナトリるため，変異体を用いた機能解析と分光計測を網羅的に行ったところ，光を吸収してレチナー
ルが異性化したあと，およそ 25 マイクロ秒後にレチナールの H+がすぐ近傍にあるアスパラギン酸（Asp116）へと受け渡されることが明らかとなった．そしてそれに続いて，およそ 1 ミリ秒後に細胞質側から Na+が取り込まれ，レチナールの細胞外側近傍に位置するアスパラギン（Asn112）へと結合することも示された[6]
さらにより詳細な構造情報を得るため，東京

図３． KR2 は生理学的条件下（海水中）では++大学大学院理学研究科の濡木理教授および当Na を細胞外側へ輸送するが，Na より大きな

時濡木研の博士過程の学生であった加藤英明

陽イオンしかない場合は H+を輸送する．

さん（現東京大学大学院総合文化研究科・准教授）との共同研究により KR2 の X 線結晶構造

菌菌体の発色を見ることでその環境中にある解析を行った．それにより Asp116 はレチナーロドプシン遺伝子の探索を行う手法である，機ルから H+を受け取ると，さらにその配向をダ

能性メタゲノム解析を新たにイスラエル国内イナミックに変化させ，近傍の Asn112 や Ser70にあるガリラヤ湖において行った．その結果，と水素結合を形成し，イオン透過経路を開くこ

驚くべきことに，既存の動物型と微生物型のいとが示された．これら分光学的および構造生物ずれとも独立した新たな巨大なロドプシンフ

学的知見により，現在のところ KR2 は図４のァミリーの存在が明らかにされた．このロドプ様な形で Na+を輸送していると考えられ，レチシンはギリシア語で「太陽のロドプシン」を意ナールからタンパク質部分への H+移動と，過味するヘリオロドプシン（HeR）と名付けられ，渡的な Na+結合が関わったこれまでにないイその分子物性について彼らと共に研究を行っオン輸送メカニズムが明かにされた[7]．

たところ，HeR はペプチド鎖の N 末端側が細胞内に，C 末端側が細胞内に向いた配向を持っていることが明らかとなった[11]．これは微生物型，動物型いずれのロドプシンとも異なるものであり，従来の２種類のロドプシンに対してHeR は膜内でタンパク質の配向が逆転した構造をしていることを意味している（図５）．

図４． Na+ポンプ型ロドプシンのイオン輸送メカニズム

またさらに最近では，これまで知られていた外向き H+ポンプ型ロドプシンとは逆の，細胞内側へ H+をポンプするロドプシンについても報告を行っている[8-10]。これらの構造は外向
き H+ポンプと非常によく似通っているが，イオン輸送経路上の酸性アミノ酸残基の位置を組み替えることで，見事に輸送方向が逆転されていることを明らかとしている。
４．第３のロドプシン：ヘリオロドプシン

図５．従来の微生物ロドプシン（左）および動物型ロドプシン（中央）とヘリオロドプシン（右）一方で，HeR が光によってどのような機能を発現するのか現時点では明らかとなっていな
いが，真正細菌から古細菌，真核微生物に加え一部の巨大ウイルスのゲノム中にもその遺伝子が存在していることから，これまでにない広範な生物が持つ新しい光利用戦略に関わっていると考えられている．また分光解析により，

上記の様にロドプシンタンパク質は動物型

HeR が光を吸収すると 5 秒以上の極めて長いと微生物型の２種類に分類されると考えられ光反応サイクルを示すことを明らかにし，さらていた．その中で 2018 年イスラエル工科大学にその中で他のロドプシンとは異なるメカニの Oded Béjà 教授らが，自身で開発した環境中ズムのプロトン移動を介した，タンパク質の大に含まれる遺伝子断片を大腸菌へ導入し，大腸きな構造変化が起こることを見出した．そしてこれらの結果から HeR は未知の細胞内光シグ我々の独力で行うのは難しいものであり，多数ナル伝達のための受容体として機能する可能の国内外の共同研究者の方々との素晴らしい性が示唆されている．また昨年には濡木理教授共同研究によって実現することができました．

および志甫谷渉博士との共同研究を新たに実そちらについても重ねて御礼申し上げます．

施し，HeR の結晶構造の決定に成功した[12]．

現在，微生物型ロドプシンファミリーにはゲ

そしてその構造を見ると，レチナールの頭側にノム解析技術の発展により，10,000 種類以上のあるβイオノン環のすぐ近傍に，タンパク質外分子があるといわれ，BR の発見から 50 年近につながる横穴構造が空いていることが明らくが経過した今なお広大な未開拓の沃野が存かとなった．さらに生化学実験によって，レチ在し，さらに大きな広がりを見せています．今

ナールはこの横穴構造を通ってタンパク質内後微生物型ロドプシン研究において，どの様な部に結合することが示された．
HeR を持つ生物発見が為されていくのか，ぜひ楽しみに見守っ

種は全てレチナール合成酵素がゲノム上にコていただければ幸いです．

ードされていないという，光生物学的に一見奇妙な特徴を有しているが，自然界ではこの横穴

参考文献

構造を利用して，外界から取り入れたレチナー

1) Oesterhelt D. & Stoeckenius W., Nat. New Biol.

ルを HeR に結合していると考えられる．今後(1971) 233, 149-152.

はこれらの知見をもとに，HeR の分子機能を決2) Oesterhelt D. & Stoeckenius W., Methods Enzymol

定するための研究が急務であり，現在全力を挙(1974) 31, 667-678.

げてそちらに取り組んでいる．

3) Ernst O. P. et al., Chem. Rev. (2014) 114, 126-163.

５．最後に

4) Inoue K. et al., J. Mol. Biol. (2008) 376, 963-970.

この度栄えある晝馬輝夫科学賞を受賞させ

5) Inoue K. et al., Nat. Commun. (2013) 4, 1678.ていただくこととなり，選考に関わられた先生

6) Inoue K. et al., Angew. Chem. Int. Ed. (2015) 54,

方や関係者の皆様に深く御礼申し上げます．本11536-11539.

研究を行うにあたり，大学院の指導教官であっ

7) Kandori H. et al., Chem. Rev. (2018) 118, 10646-

た京都大学寺嶋正秀教授や，ポストシリコン事

10658.

業教員としてロドプシンン研究の継続を支援

8) Inoue K. et al., Nat. Commun. (2016) 7, 13415.

してくださった東京工業大学藤井正明先生，酒9) Inoue K. et al., Sci. Adv. (2020) 6, eaaz2441.

井誠先生（現岡山理科大），また８年半の長き

10) Higuchi A.†, Shihoya W. † et al., Proc. Natl. Acad.に渡り，助教・准教授としてご一緒に研究をさSci. USA in press.

せていただいた名古屋工業大学神取秀樹教授

11) Pushkarev A.†, Inoue K.† et al., Nature (2018) 558,には，大変なご指導・ご鞭撻や，並々ならぬご595-599.

支援を賜りました．そしてまた上記の先生方の

12) Shihoya W. et al., Nature (2019) 574, 132-136.

研究室のスタッフや諸先輩方，学生の皆様には，†実験を含めたあらゆる面で多大な御協力をいただきました．今回の微生物型ロドプシンのメカニズム研究はこれらの方々の御協力無くしては決して為し得ないものであり，この場を借りて深く御礼申し上げます．また多くの研究は… 共筆頭著者