真核生物の祖先に最も近縁なアスガルド古細菌の持つ、 新しい光受容タンパク質の機能を解明
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カテゴリ：プレスリリース｜2020年4月11日掲載
東京大学
名古屋工業大学
名古屋大学
自然科学研究機構
科学技術振興機構
１． 発表者
神取 秀樹（名古屋工業大学 大学院工学研究科、オプトバイオテクノロジー研究センター 教授）
角田 聡（名古屋工業大学 大学院工学研究科、オプトバイオテクノロジー研究センター 特任准教授）
内橋 貴之（名古屋大学 教授（兼・自然科学研究機構 生命創成探究センター（ExCELLS）客員教授）
渡辺 大輝（研究当時：自然科学研究機構 生命創成探究センター（ExCELLS）特任助教）
２．発表のポイント
◆私たちヒトを含む、全ての真核生物の祖先に最も近縁なアスガルド古細菌が持つ、シゾロドプシンと呼ばれるタンパク質が、光のエネルギーを使って細胞内に水素イオン（H+）を輸送する機能を持つことを明らかにしました。
◆他のロドプシン（注1）類には見られない、シゾロドプシンがもつ光エネルギーを使って水素イオンを輸送するための巧妙な分子機構を明らかにしました。
◆本研究は、アスガルド古細菌が真核生物へと変化する過程で、太陽光や酸素のある環境に順応するために、シゾロドプシンによる水素イオンの取込みが関わっていたという、新たな生物学的理解を深めるものであり、また今後は、シゾロドプシンが脳神経疾患やアシドーシス（注2）などの疾患研究のための分子ツールとなることが期待されます。
３． 発表概要
本成果は、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（注3）ロドプシンを持つようになったことを示唆しています。
また今後は脳の神経細胞が関連するうつ病などの発病メカニズム研究や、血液の酸性化に伴う、細胞疾患であるアシドーシスなどの機構解明に向けた分子ツールとして、シゾロドプシンの医学研究への応用も期待されます。
４．発表内容
研究の背景
その中で、近年アスガルド古細菌と呼ばれるグループの原核生物が、ゲノム配列の比較から真核生物に最も近い種であることが明らかになってきました。しかし、一般にアスガルド古細菌は光や酸素の無い海底や湖底の泥の中に棲息していることから、どのようにして多くの真核生物が棲む、光や酸素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明でした（図1）。
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。
2019年初め、本研究グループがルーマニアか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発揮するロドプシンの中で、これまでにないタイプ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になりました（Bulzu et al., Nat. Microbiol. 4, 1129-1137 (2019).）。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られましたが、具体的に光でどのような機能を発現するのか明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ませんでした。
研究の内容
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高精度の赤外分光（注6）計測で解析したところ、シゾロドプシンはレチナール（注7）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になりました（図3）。この際には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、アミノ酸改変体タンパク質（注8）を用いた実験で明らかにされました。
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。
今後の展望
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。また、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などの機構解明に向けた分子ツールとして、シゾロドプシンの医学研究への応用も期待されます。
５．発表雑誌
雑誌名： 「Science Advances」（オンライン版）
論文タイトル： Schizorhodopsins: A family of rhodopsins from Asgard archaea that function as light-driven inward H+ pumps
著者： Keiichi Inoue, Satoshi P. Tsunoda, Manish Singh, Sahoko Tomida, Shoko Hososhima, Masae Konno, Ryoko Nakamura, Hiroki Watanabe, Paul-Adrian Bulzu, Horia L. Banciu, Adrian-Ştefan Andrei, Takayuki Uchihashi, Rohit Ghai, Oded Béjà, Hideki Kandori.
DOI番号： 10.1126/sciadv.aaz2441
６．問い合わせ先
【研究に関すること】
東京大学物性研究所
准教授 井上 圭一（いのうえ けいいち）
TEL：04-7136-3230 E-mail：inoue[at]issp.u-tokyo.ac.jp
名古屋工業大学大学院工学研究科 生命・応用化学専攻
オプトバイオテクノロジー研究センター
教授 神取 秀樹（かんどり ひでき）
TEL：052-735-5207 E-mail：kandori[at]nitech.ac.jp
名古屋大学大学院理学研究科
教授 内橋 貴之（うちはし たかゆき）
TEL：052-789-2885 E-mail：uchihast[at]d.phys.nagoya-u.ac.jp
【JST事業に関すること】
嶋林 ゆう子（しまばやし ゆうこ）
TEL：03-3512-3531 FAX：03-3222-2066
E-mail：presto[at]jst.go.jp
【報道に関すること】
７．用語解説
（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する太陽光を吸収してさまざま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、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。
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。
（注3）イオンポンプ
ヒトを含めあらゆる生物が持つ細胞内外にイオンを輸送する機能を持つタンパク質であり、多くの創薬開発においてターゲットとされている。イオンポンプはさまざまなエネルギーを使ってイオンを濃度勾配に逆らって輸送する機能を持つが、微生物の持つロドプシンの多くは光のエネルギーを用いて輸送を行うイオンポンプの一種に分類される。
（注4）ナノメートル
1ナノメートル（1nm）は、10億分の1メートルに対応する。光の波長の単位にも使われる。
（注5）原子間力顕微鏡
ナノメートルレベルの鋭い先端を持つ探針をタンパク質などの試料表面に近づけ、その間にはたらく力を測定することで、試料表面の凹凸を可視化する顕微鏡。
（注6）赤外分光
赤外光はヒトの目で見ることのできる可視光より長く、電磁波より短い波長域に波長を持つ光の総称である。赤外分光ではさまざまな波長の赤外光の試料による吸収の強さを見ることで、分子の構造や分子間相互作用の強さなどを調べることができ、特に試料がタンパク質の場合はタンパク質を構成するアミノ酸の微少な構造の違いを見分けることができる。
（注7）レチナール
通常アミノ酸は可視領域に吸収を持たないため、アミノ酸で構成されるタンパク質もそれ単体では可視光を利用することができない。それに対してロドプシンはタンパク質内部に、体内の酵素反応でビタミンＡから生じるレチナールと呼ばれる色素を結合している。ロドプシンのタンパク質内部にあるレチナールが可視光を吸収するとその構造が変化し、それを通じてタンパク質部分にも変化が起こり、さまざまな生理機能を発現することが可能になる。
ロドプシンのタンパク質はおよそ200個程度のアミノ酸から構成されているが、遺伝子工学的な手法を用いることで、タンパク質上の任意の場所にあるアミノ酸を本来とは別の種類（アミノ酸は一般に20種類が生物の体内に存在する）のアミノ酸へと置き換えることができる。このように作製されるのがアミノ酸改変体タンパク質であり、その機能や物性を見ることで、本体のタンパク質において、それぞれのアミノ酸がどの様な役割を持つのかを調べることができる。
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