東薬大ら,シアノバクテリアの光スイッチ構造解析

東京薬科大学,豊橋技術科学大学,名古屋大学,佐賀大学,大阪大学,東京都立大学,宮崎大学は,シアノバクテリアの光スイッチタンパク質であるRcaEの分子構造を,X線結晶構造解析,分子動力学計算,およびNMRによって解明した(ニュースリリース)。

シアノバクテリアは光合成を行なう原核生物であり,地球上の様々な環境に生息することが知られている。

ある種のシアノバクテリアは,赤色光と緑色光のバランスを感知して効率よく光合成を行なう「補色順化」と呼ばれる能力を持つ。補色順化において,光スイッチタンパク質RcaEは,光色を感知するセンサーとして機能する。

これまでの研究で,RcaEはビリン発色団を結合して緑色光吸収型と赤色光吸収型の間を光変換することや,その光変換にはビリン発色団の異性化や水素イオン(プロトン)の脱着反応によって駆動されることが示唆されていた。さらに,これらの光スイッチは遺伝子発現を制御するための優れたツールとして光遺伝学においても利用されているが,光反応を説明する分子構造は明らかにされていなかった。

今回研究グループは,RcaEの分子構造を解明した。RcaEの赤色光吸収型のX線結晶構造を高精度で決定し,ユニークな「穴開きバケツ」構造を発見した。さらに,計算科学的手法によりタンパク質内部構造や水分子のダイナミクスを明らかにした。

また,核磁気共鳴分光法(NMR)によって,緑色光吸収型においてビリン発色団の水素イオンの脱離が起こっていることを実証した。これらの複合的な解析アプローチにより,穴開きバケツ構造は水素イオンの通り道として機能している可能性が示唆されたとする。

今回明らかにしたRcaEの構造は,ビリン発色団の多様な吸収波長を生み出すメカニズムの物理化学的理解に大きく貢献するもの。研究グループはこの知見が,細胞生物学や医薬品開発に役立つ光遺伝学ツールの開発に繋がることが期待されるとしている。

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