Kandori实验室的论文发表在《Nature》杂志上——发现了一种将光转化为信号的新型蛋白质Heliorhodopsin，揭示了生物体新的光利用策略！ ―

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东京大学
日本科学技术振兴机构 (JST)

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　由V体育光生物技术研究中心的 Hideki Kandori 教授、Keiichi Inoue 副教授（现任东京大学固体物理研究所）、访问副教授 Satoshi Tsunoda 和以色列理工学院 Oded Beja 教授组成的国际联合研究小组发现了一种以前未知的光响应蛋白——视紫红质，并将其命名为日光视紫红质（heliorhodopsin）。这项研究发表在英国科学杂志上发布于2018年6月20日18:00（英国时间）。

本研究的要点

• 迄今为止发现的视紫红质分为1型（源自微生物）或2型（源自动物），人们认为地球上仅存在1型和2型。
  
• 这次，我们对生活在以色列加利利海的微生物进行了全面的基因分析，发现了一种不同于1型和2型的新视紫红质，并将其命名为日光视紫红质。
  
• 已发现日光视紫红质广泛存在于微生物和病毒中，并且很明显地球上的生物体使用了一种新的光利用策略。未来，光遗传学^（注1）也将带来新的发展。

背景

　视紫红质是负责人眼视觉的膜蛋白之一，负责识别光并将信号传输到视神经的初始反应。视紫红质具有 7 次跨膜螺旋结构^（注2）作为吸收光的分子（来自图 1 中的动物的 2 型）。光诱导视网膜结构变化（光异构化反应^（注3）) 移动蛋白质的结构，产生三聚体 G 蛋白，它是一种信息转导分子^（注4）
另一方面，细菌等微生物中也存在视紫红质，除了将光转化为信息的视紫红质外，还有利用光传输离子的视紫红质、利用光带来酶活性的视紫红质等具有多种功能的视紫红质（图1左，源自微生物的1型）。此外，在20世纪，微生物视紫红质被认为只有生活在特殊环境中的特殊生物才拥有，但在本世纪，基因组分析的进展表明，生活在海洋表面的微生物中70%都含有视紫红质。此外，2005年开发了一种称为光遗传学的新技术，通过在动物大脑神经元中表达离子传输视紫红质（一种源自微生物的视紫红质）并利用光控制神经兴奋和抑制来操纵动物行为。光遗传学作为阐明大脑功能和各种生物体运作的工具，引起了人们的巨大期望。
　从应用角度受到关注的视紫红质可分为源自微生物的1型视紫红质和源自动物的2型视紫红质。即使现在，新的视紫红质也不断被报道，但它们总是被归类为1型或2型，并且人们认为地球上只存在1型和2型视紫红质。

关于这项研究

　这次，我们全面分析了生活在以色列最大淡水湖加利利海（英文名：Lake Kinneret）的各种微生物的基因（宏基因组分析^（注5））。如果其中有视紫红质的基因，如果你在大肠杆菌中复制该基因并添加视网膜分子，它就会有颜色。以色列研究小组分析了被认为是视紫红质的基因，当添加视黄醛时，视紫红质会变成紫色，发现该蛋白质的氨基酸序列与之前已知的1型和2型有显着不同。
　以色列集团随后将该基因提供给拥有优秀视紫红质分析技术的V体育集团，并开始了国际联合研究。V体育研究小组利用各种生物物理和物理化学方法彻底研究了这种新型视紫红质的特性。结果，我们发现这种新的视紫红质尽管具有完全不同的氨基酸序列，但与1型视紫红质结合的是相同类型的视网膜分子，并且在吸收光时表现出相似的反应过程，例如异构化和质子转移反应（图2）。另一方面，1型视紫红质不具有传输离子的特性，且光反应周期慢，因此推测该视紫红质参与光学信息传输。事实上，蛋白质在最终产生的中间体中发生了显着变形，表明这会导致信号转导（图 2）。
有趣的是，当我们将通过这项研究发现的视紫红质基因与数据库进行比较时，我们很快发现了 500 多种相似的蛋白质。物种范围从古细菌、真细菌和藻类等真核生物到巨型病毒。国际联合研究小组将这组蛋白质命名为第三种视紫红质——heliorhodopsin，源自希腊语“太阳”。

图1 源自微生物的1型视紫质（左）、动物体内发现的2型视紫红质（中）和新发现的日光视紫红质（右）
1 型视紫红质，2 型视紫质为 N 端^（注6）侧面向细胞外部，而日光视紫红质的 N 端侧面向细胞内部。

图2 日光视紫红质的光反应循环
当日光视紫红质吸收光时，会发生视网膜分子的异构化反应和质子转移反应。尽管氨基酸序列差异很大，但它与 1 型视紫红质非常相似，光反应显示循环并产生 K、M 和 O 等中间体。另一方面，详细的生物物理分析揭示了日光视紫红质不同于 1 型的特征。

未来展望

　日光视紫红质的发现揭示了地球上生物体使用的一种新的光利用策略的存在。然而，日光视紫红质的功能尚未阐明。尽管由于其反应缓慢，日光视紫红质被认为在信息传输中发挥着重要作用，但在人眼中寻找诸如视紫红质激活的三聚体G蛋白之类的伙伴蛋白才刚刚开始。
虽然我们不知道日光视紫红质在动物细胞中产生时会如何表现，但日光视紫红质可能会导致作为光遗传学工具的新发展。

出版杂志

杂志名称：“自然” 6月20日18:00（英国伦敦时间）网络突发新闻版发布
论文标题：使用功能宏基因组学发现的一组独特丰富的微生物视紫红质
作者：Alina Pushkarev、Keiichi Inoue、Shirley Larom、José Flores-Uribe、Manish Singh、Masae Konno、Sahoko Tomida、Shota Ito、Ryoko Nakamura、Satoshi P Tsunoda、Alon Philosof、Itai Sharon、Natalya Yutin、Eugene V Koonin、Hideki Kandori*、Oded贝雅*
DOI：101038/s41586-018-0225-9

术语表

注1：光遗传学这是一个结合光学和遗传学的创造词，由其创始人戴瑟罗斯博士命名。在 2005 年进行的第一个实验中，他们在神经细胞中表达微生物通道视紫红质，并用光刺激神经来控制动物行为。尽管它有望成为一种阐明大脑功能的新方法，但它现在已广泛用于利用光来控制和操纵生物活动。

注2：7次跨膜螺旋结构视紫红质蛋白具有七螺旋结构，它们如参考图像所示捆绑在一起，并嵌入细胞最外层的细胞膜中。这种结构称为七跨膜螺旋结构。

注释3：光异构化反应视紫红质将视网膜结合到分子中心来吸收可见光，当视网膜吸收光时，其骨骼结构弯曲的方式发生变化，从而驱动蛋白质生理功能的表达。这种由光引起的视网膜骨骼结构的变化称为光异构化

注释4：三聚体G蛋白GTP 结合蛋白参与细胞内信号转导，由具有七次跨膜螺旋结构的受体蛋白（例如视紫红质）激活。受体统称为GTP结合蛋白偶联受体（GPCR），不仅涉及视觉等感官，还涉及神经递质和激素等信息传递，是药物发现的重要靶点。

注释5：宏基因组分析来自各种生物体的DNA片段以混合物的形式存在于海洋、湖泊、土壤等中，这些被称为宏基因组学（这个词是由“genome”（指生物体的整个基因）和“meta-”（意思是“超越”）融合而成的）。通过使用基因测序技术分析这些宏基因组的DNA片段，可以全面检查在源生物体细胞内发挥功能的蛋白质的氨基酸序列信息。

注6：N端/C端蛋白质具有氨基酸连接成一条线的链状结构，其末端具有由氮和氢组成的氨基（-NH3）和由碳、氧和氢组成的羧基（-COOH）的化学结构。从此，氨基侧的末端称为N末端，羧基侧的末端称为C末端，以此为参考，可以确定蛋白质的方向性。此外，在细胞内，蛋白质是从N末端到C末端合成的。

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