我们如何看到蓝色？灵长类蓝色传感器蛋白的结构分析

◆工学研究科生命与应用化学系及光生物技术研究中心，校友 Yuki Nonaka 和他的同事与京都大学灵长类研究所的 Hiroo Imai 副教授合作，在世界上首次成功捕获了一种允许灵长类动物识别蓝色的蛋白质的结构信息。这项研究的结果发表在英国开放获取期刊《Scientific Reports》7 月 7 日刊上。

■ 灵长类颜色视觉传感器蛋白的波长控制研究

　我们日常看到的所有颜色都是由三种光的组合图案产生的：蓝色、绿色和红色，称为“光的原色”。这是通过三种类型的光传感器蛋白（色觉蛋白 (*1)）的作用来实现的，这些蛋白感知眼睛中的颜色（蓝色、绿色和红色）（图 1a）。有趣的是，光传感器蛋白使用相同的分子11-顺式视黄醛（维生素A衍生物）吸收不同颜色的光（图1b），但尚未对其进行结构研究，因为1）样品制备困难，2）对于有限数量的样品不存在结构分析方法，3）所有实验程序必须在黑暗中进行。我们无法在分子水平上解释我们所做的显而易见的事情，即我们如何区分颜色。
　在这种情况下，神鸟教授和片山助理教授（当时神鸟实验室的学生）等人从10年前开始与京都大学灵长类研究所的今井宏雄副教授合作，利用红外光谱法（*2）研究猴子色觉物质的结构。通过将哺乳动物癌细胞大规模蛋白表达与高精度低温红外光谱相结合，我们于2010年在世界上第一个成功分析了灵长类红/绿传感器蛋白的结构，并在2012年和2015年发表的论文中，成功阐明了区分红色和绿色的分子机制。
另一方面，根据过去的文献，已知蓝色传感器蛋白的表达水平比红色和绿色传感器蛋白的表达水平低近一个数量级，并且认为即使使用Kandori小组的方法也无法进行结构分析。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 1a。三种类型（蓝色、绿色和红色）光电传感器蛋白的可见吸收光谱

　　　　　　　　　　　图 1b。 11-顺式视黄醛的结构式
视黄醛由多烯链部分、希夫碱和β-紫罗兰酮环组成。

■ 实现灵长类蓝色传感器蛋白的结构分析！！

　Kandori教授和他的团队重新考虑了灵长类动物的物种选择以及蛋白质的溶解和纯化条件，以分析蓝色传感器蛋白的结构，并成功获得了足够量的纯化样品来测量红外光谱。结果，在研究开始10年后的今年，蓝色传感蛋白的结构分析终于实现了。
　获得的蓝色传感蛋白的红外光谱表明，视网膜的分子结构、蛋白的主链结构以及内部结合水的振动模式与红色和绿色传感蛋白显着不同。特别是，我们能够获得一个特征信号，表明多个水分子在视网膜分子附近形成聚集体（簇），该聚集体具有疏水性化学结构（=水分子难以存在的地方）。根据这些结果，我们能够提出一个模型，其中水分子的极性导致 π 电子定位在视网膜的多烯链上，从而吸收蓝光（图 2）。

图2：灵长类蓝色传感器蛋白的机制

■ 阐明颜色识别机制的期望

通过这种方式，Kandori教授和他的同事成功分析了一种蓝光传感光电传感器蛋白的结构，并揭示了位于该蛋白内部高度疏水环境中的视网膜分子附近存在水簇。 “蓝色”与海洋和水的颜色有关，偶然发现水分子对于蓝色传感器蛋白看到蓝色很重要。
通过对蓝色传感器蛋白进行结构分析，我们现在获得了所有三种类型（蓝色、绿色和红色）的结构信息。通过统一分析这些数据，我们希望能够揭示颜色视觉传感器蛋白的蛋白质环境如何使用相同的分子11-顺式视网膜实现颜色辨别的详细机制。此外，通过对光反应中间体进行结构分析，预计我们将能够了解颜色传感器蛋白的光激活机制。

　　

*这项研究是在全球光与生命研究中心、预算请求项目、日本学术振兴会 (JSPS) 科学研究补助金以及京都大学灵长类研究中心联合使用研究中心、灵长类研究中心的支持下进行的。

原始论文

Kota Katayama#、Yuki Nonaka#、Kei Tsutsui、Hiroo Imai 和 Hideki Kandori（#同等贡献）
科学。报告 7, 4904 (2017)。

术语表

※1 色觉蛋白
　我们眼睛的视网膜中有三种类型的视锥细胞：对长波长光做出反应的红色视锥细胞、对中波长光作出反应的绿色视锥细胞和对短波长反应的蓝色视锥细胞。每个视锥细胞中表达的膜蛋白对特定范围的光波长最敏感。
※2 红外光谱
　通过用红外光照射物质并测量透射光或反射光来分析样品的结构、化学变化并对其进行定量的分析方法。

有关此事的询问

V体育工学研究科生命与应用化学系生命与材料化学系
神取秀树
电话和传真：052-735-5207​电子邮件：kandori[at]nitechacjp

小田山片山
电话和传真：052-735-5218​电子邮件：katayamakota[at]nitechacjp

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