利用与人工合成分子结合的视觉物质的独特光异构化反应阐明信号转导机制！ ～对视网膜疾病治疗药物开发的期待～

　的研究小组通过使用各种生物物理方法的结构-功能关系分析发现，与人工合成分子结合的视觉物质利用非常独特的光异构化反应进行信号传输。这项研究是片山助理教授在担任日本学术振兴会海外研究员时，隶属于美国俄亥俄州凯斯西储大学Palczewski教授实验室进行的，这一成果发表在著名的《美国科学院院刊Proc》电子版上。国家。阿卡德。科学。 Katayama 助理教授与 Palczewski 教授作为通讯作者参与了这项研究。

~视力是如何发生的~负责明视力和暗视力的感光蛋白

　“为什么当我们的眼睛习惯了黑暗后，我们就能在黑暗中看见东西呢？”这是我们走进电影院或者电影院时都至少思考过一次的问题。这是因为视紫质（一种光接收蛋白）在视杆细胞中发挥作用，视杆细胞是我们眼睛视网膜中的感光细胞之一。视紫红质是G蛋白偶联受体(*1)的一员，其共同结构为7个可穿透细胞膜的α螺旋，通过在蛋白质内部结合吸光发色团分子11-顺式视黄醛(维生素A衍生物)来实现光吸收。当视紫红质吸收光时，视网膜发生从11-顺式形式到全反式形式的异构化反应，这种微小的化学反应被视网膜周围的蛋白质环境接收，从而产生激活状态。激活的视紫红质在将光信号转化为电信号的过程中，通过细胞内的G蛋白传递给下游的效应分子，然后沿着视神经传播到大脑，使我们第一次能够识别事物（图1）。
另一方面，视紫红质本身并不具有将视网膜恢复到11-顺式形式的功能，而是通过从蛋白质内部解离全反式视黄醛，将其运输到与感光细胞相邻的视网膜色素上皮细胞，并经过多步酶促反应（类视黄醇循环）来重新利用再生的11-顺式视黄醛。如果视黄醛回路出现异常，顺式视黄醛的供应被延迟，视紫红质可能无法再生，或者有毒的全反式视黄醛可能在细胞内积聚，导致感光细胞变性，最终可能导致视网膜疾病和失明。为了开发这些疾病的治疗药物，参与视觉研究的研究人员目前正在基于（牛）视紫红质的晶体结构（*2）寻找新化合物、细胞活性实验以及使用小鼠的个体水平临床研究。

图1：识别光明和黑暗的感光蛋白视紫红质的光信号转导

利用独特的发色团光异构化反应阐明视紫红质的光信号转导机制

　这次，片山助理教授领导的研究小组重点研究了一种（牛）视紫红质类似物的分子特性，其发色团是视黄醛，它可以阻止从11-顺式形式到全反式形式的异构化。迄今为止，以5、6、7、8元环固定的视网膜类似物为发色团进行视紫红质类似物的光谱测量和G蛋白活性测量已有许多研究成果，其中以6元环固定的视网膜类似物再生视紫红质（Rh6mr）。已知即使 11-顺式-全反式异构化被阻断，也能够激活 G 蛋白。为了阐明Rh6mr激活G蛋白的分子机制，他们进行了全面的结构-功能关系分析，结合了使用时间分辨荧光光谱法的G蛋白激活测量、时间依赖性可见吸收光谱法、使用HPLC的视网膜类似物成分分析、使用高分辨率X射线衍射测量的晶体结构分析以及分子力学计算。
结果表明，Rh6mr 在光吸收后会在视网膜类似物（11, 13 顺式形式）的第 13 位发生异构化，产生具有更短波长偏移的活性中间体。此外，我们发现这种活性中间体可以在几个小时的非常慢的时间范围内热恢复到 11-顺式形式，而不会解离视网膜，并且可以反复激活 G 蛋白（图 2）。通过这种方式，我们首次在脊椎动物视紫红质中通过实验证明了视紫红质的存在，这种视紫红质表现出光反应循环。有趣的是，当我们比较视紫红质和Rh6mr的G蛋白激活能力时，我们发现，虽然异构化反应发生在与原始视网膜异构化不同的位点，但它们表现出相似的激活能力，但视网膜类似物的视网膜异构化效率（量子产率）却低了20倍以上。
此外，片山助理教授等人。成功在黑暗条件下确定了Rh6mr的结构，分辨率为401 Å。最初已知视黄醛类似物在有机溶剂中具有四种类型的异构化结构，但从获得的Rh6mr的结构发现，存在于蛋白质内部的视黄醛类似物以11-顺式形式键合。此外，利用分子力学计算进行的对接模拟结果也表明11-顺式结构是能量最稳定的结构。

图2：视网膜类似物再生视紫红质

(Rh6mr) 光反应周期和光信号

对视网膜疾病治疗药物研发的期待

就这样，片山助理教授和他的同事们利用广泛的生物物理方法，从原子和分子水平阐明了人工合成的视网膜类似物再生的视紫红质和Rh6mr的分子特性以及G蛋白的激活机制。视紫红质和类视黄醇回路对于我们视觉功能的表达至关重要，如果这些回路出现异常，就有失明的风险。然而，通过利用Rh6mr独特的光反应周期及其反复激活G蛋白的能力（我们已经揭示了这一点），例如通过施用含有视网膜类似物的滴眼剂，预计Rh6mr将在我们的视网膜中自发再生，激活G蛋白并将光信息转化为视觉信息，而不产生有毒的全反式视网膜。此外，基于已成功确定结构的Rh6mr结构，通过设计一种能够实现高光异构化效率和快速光反应周期的新型视网膜类似物，预计将有助于视网膜疾病治疗药物的开发。

*这项研究得到了美国国立卫生研究院 (NIH)、美国国家科学基金会 (NSF) 和日本学术振兴会 (JSPS) 的科学研究补助金的支持。

术语表

※1 G蛋白偶联受体
表达于真核细胞的细胞膜或细胞内膜上的一类受体。它具有七个α螺旋的共同结构，可穿透细胞膜，接收来自细胞外的各种信号（光、神经递质、激素、化学物质等），并通过G蛋白将信号传递到细胞内部。
※2晶体结构
指晶体中原子的排列结构。仅通过观察构成生物的生物聚合物、蛋白质和核酸的氨基酸序列（一级结构）是不可能了解每种蛋白质独特的生理功能的，必须在原子水平上可视化三维结构。晶体结构对应于通过创建目标蛋白质的晶体并根据用强束如X射线照射产生的衍射图案确定原子排列而获得的三维结构。

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