V体育官网与真核生物祖先关系最近的阿斯加德古菌中一种新光感受器蛋白的功能
新闻与主题
类别：新闻稿 |发布于 2020 年 4 月 11 日
东京大学V体育名古屋大学国立自然科学院日本科学技术振兴机构
1。主持人
Keiichi Inoue（东京大学固体物理研究所副教授）Hideki Kandori（V体育工程研究生院光生物技术研究中心教授）角田聪（V体育工学研究科光生物技术研究中心特聘副教授）内桥孝之（名古屋大学教授（兼任国立自然科学研究所生命创造研究中心（ExCELLS）客座教授）Daiki Watanabe（研究时：国立自然科学研究所生命创造研究中心（ExCELLS）项目助理教授）
2。演示要点
◆我们发现，在阿斯加德古细菌中发现了一种名为裂视紫红质的蛋白质，它与包括人类在内的所有真核生物的祖先关系最近，具有利用光能将氢离子 (H+) 转运到细胞中的功能。◆我们发现了一种利用裂视紫质的光能传输氢离子的巧妙分子机制，这在其他视紫红质中是不存在的（注 1）。◆这项研究加深了新的生物学认识，即裂视紫质在阿斯加德古菌向真核生物转化过程中参与了氢离子的摄取，以适应阳光和氧气环境。未来，裂视紫质有望成为研究脑神经疾病和酸中毒等疾病的分子工具（注2）。
３．演示摘要
东京大学固体物理研究所井上敬一副教授、V体育研究生院工程与光生物技术研究中心神取英树教授、角田聪客座副教授、名古屋大学内桥隆之教授（国立自然科学研究所生命创造研究中心（ExCELLS））、国立自然科学研究所生命创造研究中心渡边（ExCELLS）由项目助理教授Daiki Be、以色列理工学院Oded Beja教授和捷克科学院Rohit Ghai博士领导的国际合作研究小组首次揭示了一种名为裂视紫红质（schizorhodopsin）的蛋白质，这种蛋白质存在于阿斯加德古细菌中，据称与所有真核生物的祖先接近，是一种具有利用光能将氢离子导入细胞功能的分子。 这一结果表明，阿斯加德古菌在进化为真核生物的过程中，进入有阳光和氧气的环境时，拥有了一种独特的光驱动内向氢离子泵（注3）视紫红质。裂视紫红质未来也有望应用于医学研究，作为一种分子工具来研究抑郁症和其他涉及大脑神经元的疾病的机制，并阐明酸中毒（一种与血液酸化相关的细胞疾病）的机制。
该研究成果于4月10日（日本时间4月11日）发表在美国科学杂志《Science Advances》（网络版）上。
4。演示内容
研究背景
动物和植物，包括人类，都有一个细胞核，其细胞内含有编码遗传信息的 DNA，被称为真核生物。另一方面，诸如大肠杆菌之类的原始生物的细胞内没有细胞核，被称为原核生物。在生物的历史上，真核生物是如何从原核生物进化而来的仍然是一个很大的谜团。 近年来，通过基因组序列比较，人们已经清楚地知道，阿斯加德古菌是最接近真核生物的原核生物。然而，由于阿斯加德古菌通常生活在海底或湖底的泥浆中，那里没有光和氧气，因此它们如何能够进入许多真核生物生存的有光和氧气的环境的进化过程尚不清楚（图1）。
图 1 人们认为最早的真核生物是在古代地球上从与阿斯加德古菌密切相关的原核生物进化而来的。另一方面，所有已知的阿斯加德古菌都生活在海底和湖床的缺氧泥浆中，它们如何进化成生活在富含阳光和氧气的环境中的真核生物尚不清楚。 2019年初，该研究小组检查了从罗马尼亚新发现的阿斯加德古菌的遗传信息，发现这些阿斯加德古菌拥有一种前所未有的视紫质，利用光能来执行各种生理功能（Bulzu et al, Nat Microbiol 4, 1129-1137 (2019)。这种新型视紫红质被命名为裂殖视紫红质（schizorhodopsin），但目前还不清楚它是一种什么样的视紫红质。它在光中表达的功能，但目前尚不清楚阿斯加德古细菌使用裂视紫红质的目的
研究内容
为了研究裂视紫红质的功能，该课题组将该基因导入大肠杆菌和哺乳动物细胞中，并尝试大量表达该蛋白。结果，我们成功地在大肠杆菌细胞中表达大量裂视紫红质。对其功能的分析表明，它具有向内氢离子泵功能，在光照射下将氢离子输送到细胞内（图2左中）。利用光将氢离子输送到细胞中的视紫质仅存在于近年来在深海中发现的一些细菌中，并且在进化上与古细菌相距甚远，但这一发现首次表明即将进化成真核生物的Asgard古细菌也利用光将氢离子带入细胞中。此外，在这项研究中，发现裂视紫红质也存在于广泛生活在海洋中的一组未知微生物中。
图 2 实验结果显示，使用大肠杆菌（左）和哺乳动物细胞（中）研究了裂视紫红质的向内氢离子转运，以及使用高速原子力显微镜观察到的裂视紫红质的三聚体结构（右）。左边的照片显示了表达裂视紫质的大肠杆菌细胞，可以看到裂视紫质引起的红紫色到粉红色。裂视紫红质比传统细菌中发现的其他内向氢离子泵（PoXeR、NsXeR）运输更多的氢离子。
接下来，研究小组纯化了该蛋白质并详细研究了其特性，以V体育官网裂视紫红质如何利用光能将氢离子输送到细胞中的机制。结果显示，阿斯加德古菌的裂视紫质主要吸收557纳米的光（注4），而海洋微生物的裂视紫质则吸收542纳米的光，这表明所使用的光的波长（颜色）根据其生活的环境和物种而不同。此外，当使用高速原子力显微镜观察整个分子的结构时（注5），发现它具有由三个相同分子组成的三聚体结构（图2，右）。此外，通过使用纳秒激光的高速光谱和高精度红外光谱（注6）分析蛋白质吸收光时发生的反应和分子结构变化，发现裂视紫红质通过在视网膜（注7）和蛋白质内外的溶剂之间交换氢离子，将氢离子单向输送到细胞内（图3）。在这种情况下，有人提出构成蛋白质的多种氨基酸参与了蛋白质内部氢离子的移动，而在本研究中，使用氨基酸变异蛋白质（注8）的实验表明，至少有四种氨基酸发挥着特别重要的作用。
这项研究得到了日本学术振兴会（JSPS）科学研究资助金、日本科学技术振兴机构（JST）战略基础研究促进项目（PRESTO“新型光感受器蛋白主导的新光遗传学（研究员：井上敬一）”、CREST“细胞内第二信使光操纵的开发和应用（研究代表：Kandori）这项工作得到了 PRESTO 的支持“使用新型视紫红质酶进行视觉再生的挑战（研究员：角田聪）”。
图 3 这项研究揭示了裂视紫红质分子内氢离子 (H+) 的传输机制
未来展望
这项研究表明，阿斯加德古菌在进化成真核生物的过程中，进入有阳光和氧气的环境时，拥有了一种独特的光驱动的内向氢离子泵——视紫红质。未来，人们认为需要进行研究来V体育官网内向细胞氢离子运输在原始阿斯加德古菌中发挥的作用。此外，这项研究揭示的裂视紫红质的转运机制为人体中存在的离子转运蛋白如何决定离子转运的类型和方向这一大问题提供了新的见解，并有望促进对其他蛋白质分子机制的理解。裂视紫质也有望作为一种分子工具应用于医学研究，以研究抑郁症和其他与脑神经元相关的疾病的机制，并V体育官网酸中毒（一种由血液酸化引起的细胞疾病）的机制。
5。出版杂志
杂志名称：《科学进展》（在线版）论文标题：裂视紫质：来自阿斯加德古细菌的视紫红质家族，充当光驱动的内向 H+ 泵作者：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,神取秀树。DOI 号：101126/sciadvaaz2441
6。联系方式
[研究相关事宜]
东京大学固体物理研究所井上敬一副教授电话：04-7136-3230 电子邮件：井上[在]isspu-tokyoacjp
V体育工学研究科生命与应用化学系光生物技术研究中心神取英树教授电话: 052-735-5207电子邮箱: kandori[在]nitechacjp名古屋大学理学研究科内桥孝之教授电话: 052-789-2885E-mail:uchihast[在]dphysnagoya-uacjp
[关于 JST 业务]
日本科学技术振兴机构战略研究推进部绿色创新组岛林优子电话：03-3512-3531 传真：03-3222-2066邮箱：presto[在]jstgojp
[与举报相关的事宜]
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国立自然科学研究院生命创造研究中心公共关系官员电话：0564-59-5201 传真：0564-59-5202邮箱：按[在]excellsorionacjp
日本科学技术振兴机构公关部电话：03-5214-8404 传真：03-5214-8432邮箱：jstkoho[在]jstgojp
＊每个[在]和 @。
7。词汇表
（注1）视紫红质 吸收阳光并表达各种生物功能的蛋白质存在于从动物到细菌等微生物的多种生物物种的细胞膜上。动物中发现的视紫红质是一种传递与光相关的信号（例如视觉）的受体，而微生物中发现的许多视紫红质利用光能来传输离子。因此，虽然它们的功能彼此截然不同，并且在进化上是完全不同的系统，但它们有许多共同点，例如都在蛋白质内部结合视网膜色素（维生素A的衍生物）来吸收光，并且具有由七个穿膜螺旋组成的蛋白质结构。
（注2）酸中毒 人体的血液通常保持在中性左右，但这是一种血液由于某种原因而变成酸性的疾病。酸化在血液中产生大量氢离子，会对组织和细胞造成损害。
(注3)离子泵 它是一种蛋白质，具有将离子转运进出所有生物（包括人类）细胞的功能，并且是许多药物发现开发的目标。离子泵具有使用各种能量逆浓度梯度输送离子的功能，但微生物中发现的许多视紫红质被归类为使用光能输送离子的离子泵。
(注4)纳米 一纳米 (1nm) 相当于十亿分之一米。也用作光的波长单位。
(注5)原子力显微镜 一种显微镜，通过将具有纳米级锋利尖端的探针靠近蛋白质等样品的表面并测量作用在它们之间的力来可视化样品表面的不平整度。
(注6)红外光谱 红外光是波长比人眼可见的可见光长、比电磁波短的光的总称。红外光谱使我们能够通过观察样品对不同波长红外光的吸收强度来检查分子结构和分子间相互作用的强度。特别是，当样品是蛋白质时，可以区分构成蛋白质的氨基酸结构的微小差异。
（注7）视网膜氨基酸通常在可见光区域没有吸收，因此由氨基酸组成的蛋白质本身不能利用可见光。另一方面，视紫红质有一种称为视黄醛的色素，它是由维生素 A 通过体内酶反应产生的，并结合在蛋白质内。当视紫质蛋白内部的视网膜吸收可见光时，其结构发生变化，从而使蛋白质发生变化，使其表达各种生理功能。
(注8)氨基酸变异蛋白 视紫红质蛋白由大约200个氨基酸组成，但通过使用基因工程技术，可以用不同类型的氨基酸替换蛋白质上任何位置的氨基酸（生物体中通常有20种氨基酸）。氨基酸变异蛋白就是这样产生的，通过观察它们的功能和物理特性，可以研究每个氨基酸在主蛋白中的作用。
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