東大ら,光照射によるロドプシン変化をXFELで捕捉

東京大学は,国内外の複数の研究室との共同研究で,X線自由電子レーザー施設SACLAを用いて時分割結晶構造解析を行ない,ChRが光照射によってどのような構造変化をしているのかを捉えることに成功した(ニュースリリース)。この結果からChRが励起光照射を受けて,陽イオンを通すようになるまでの過程が明らかになった。

多くの生物は光を受容するためのタンパク質を有している。その中でも藻類が持つ光受容タンパク質であるチャネルロドプシン(ChR)は,光を吸収することでタンパク質が構造変化を起こし,陽イオンを通すようになる。

ChRは神経細胞を光照射によりコントロールする技術のメインツールとして用いられており,ChRの注目度は近年非常に高くなっている。しかしながら,ChRの分子基盤に関しては未解明な部分が多く,特に光を受容することによって生じる構造変化に関してはこれまでに詳細な報告がされていなかった。

X線自由電子レーザー(XFEL)によって,分子の構造変化を詳細に明らかにできる。この方法では,結晶化したタンパク質に光照射などの刺激を与え,同期させたXFELにより回折データを収集することで刺激を受けたタンパク質の構造変化を捉える。

この方法は時分割シリアルフェムト秒結晶構造解析(TR-SFX)と呼ばれており,タンパク質の微細な構造変化を高い時間分解能で捉えることができる手法として用いられるようになっている。今回,研究グループは,国内のX線自由電子レーザー施設SACLAにてTR-SFX測定を行なった。

その結果,光照射によって,異性化したレチナールにねじれるような動きが生じることで,ChR内部のシステインと呼ばれるアミノ酸を押し出すような動きが生じ,このシステインを含む3本目の膜貫通ヘリックス(TM3)が外側へと押し出されるような動きが観測された。また,これらの動きに加えて,レチナールが結合した7本目の膜貫通ヘリックスにも構造変化が生じることもわかった。

これらの膜貫通ヘリックスはイオン透過経路を形成すると考えられていることから,観察された構造変化によってゲートを形成する相互作用が壊れることでイオン流入が引き起こされると考えられるという。

この研究は,光受容タンパク質であるチャネルロドプシンを含むロドプシンタンパク質におけるダイナミクスを高分解能で解明した数少ない例となるもの。また,光遺伝学に関する新たなツール開発などへとつながることも期待されるとしている。

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