V体育阿斯加德古细菌中利用光能吸收氢离子的蛋白质结构

东京大学
V体育

1。主持人

樋口正光（东京大学研究生院理学研究科生物科学系硕士二年级学生，研究时）
Wataru Shihoya（东京大学研究生院研究生院生物科学系助理教授）
Masae Konno（东京大学固体物理研究所特聘研究员）
Hideki Kandori（V体育工学研究生院教授）
Keiichi Inoue（东京大学固体物理研究所副教授）
Osamu Nureki（东京大学研究生院研究生院生物科学系教授）

2。演示要点

◆我们揭示了裂视紫质的三维结构，裂视紫质是阿斯加德古菌所拥有的一种视紫红质蛋白（注1），具有利用光能将氢离子带入细胞的功能。
◆裂视紫红质具有较短的结构，其中面向细胞内部的蛋白质部分V体育了有效地将氢离子输送到细胞内的机制。
◆本研究表明，裂视紫红质已进化出能够有效地将氢离子转运至细胞内的能力，并将根据其结构信息对其进行修饰并使其具有高功能，为其作为研究脑神经疾病和酸中毒等疾病的分子工具铺平了道路（注2）。

3。演示摘要

　细胞内有细胞核的生物（包括人类）被称为真核生物，所有真核生物都被认为是从 15 至 20 亿年前称为古细菌的生物进化而来，古细菌没有细胞核。在现有的生物物种中，据说阿斯加德古细菌与真核生物的起源古细菌最为接近。裂视紫质（Schizorhodopsin）是一种对光有反应的视紫红质，2020年在阿斯加德古菌中被发现，并首次报道其具有将氢离子输送到细胞内的功能。在阿斯加德古菌向真核生物转变的过程中，裂视紫质对氢离子的摄取可能参与了对阳光和氧气环境的适应。然而，裂视紫红质有效地将氢离子转运到细胞中的机制尚不清楚。
　东京大学大学院研究生院的Nureki教授小组与固体物理研究所的井上副教授合作，通过X射线晶体结构分析确定了裂视紫红质的三维结构（注3）。通过比较裂视紫质与其他视紫红质的结构，我们V体育了裂视紫质在视紫红质分子进化中以前未知的作用。另外，裂视视紫质在细胞内部具有较短的跨膜区域，并且具有能够容易地将氢离子释放到蛋白质细胞内部的结构。 已经揭示，裂视紫质具有与已知视紫红质不同的氢离子输送机制，因为它直接将从细胞外部摄取的氢离子释放到细胞内部的溶剂中。通过这项研究，将有可能根据结构信息修改裂视紫红质的功能，并且预计应用研究将作为医学研究的分子工具得到发展。
　该研究结果将于日本时间2021年3月31日发表

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。其中，最近通过基因组序列比较发现，一种名为Asgardarchaea的原核生物是最接近真核生物的物种。 2020年，日本海洋地球科学技术机构（JAMSTEC）领导的一个研究小组报告了培养阿斯加德古菌的研究（Imachi et al, 2020）（图1，左），原核生物和真核生物边界的研究正在蓬勃发展。
　这种阿斯加德古细菌基因组信息包含一种前所未有的视紫红质，它利用光能来执行各种生理功能。这被称为裂视紫红质，它是一种具有利用光能将氢离子导入细胞功能的分子（图1右）（Inoue et al 2020）。在阿斯加德古菌向真核生物转变的过程中，裂视紫质对氢离子的摄取可能参与了对阳光和氧气环境的适应。在南极洲发现的另一种蛋白质具有相似的序列和功能，裂视紫红质在生命世界中广泛存在。
裂视紫质的氨基酸序列位于以已知多年的细菌视紫红质（注4）为代表的1型组和2018年发现的新种日光视紫红质（注5）之间，因此尚不清楚其属于哪一组（图1右）。另外，微生物中携带氢离子的视紫红质，如细菌视紫红质，大部分携带在细胞外，只有少部分携带在细胞内。其中，与其他内向运输型视紫红质相比，分裂视紫红质已被证明具有极其有效的运输能力。裂视紫质的氨基酸序列与视紫红质显着不同，其结构及其将氢离子转运到细胞内的机制尚不清楚。

研究内容和结果

　该研究小组利用X射线晶体学揭示了裂视紫红质的三维结构（图2）。裂视紫质形成三聚体，与之前的视紫红质一样，它由七个跨膜螺旋 (TM) 和由赖氨酸（一种氨基酸）共享的视网膜色素（注 6）组成。为了弄清楚裂视紫红质是否更接近1型视紫红质或日光视紫红质，我们比较了它们的结构，发现裂视视紫红质的细胞内和细胞外环结构与细菌视紫红质相似，但与日光视紫红质显着不同。因此，我们发现裂视紫红质可以归类为1型，尽管构成该蛋白质的氨基酸序列介于两者之间。
接下来，我们分析了氢离子的传输机制。在黑暗中，氢离子存在于视网膜的席夫碱中，当发生光刺激时，氢离子离开并通过裂视紫质细胞内存在的谷氨酸释放到细胞中（图3，左）。在典型的氢离子泵中，氢离子通过以球状方式在氨基酸残基（例如谷氨酸）和水分子之间转移来运输。然而，在裂视紫质中，虽然这种谷氨酸对于将氢离子转运到细胞中至关重要，但有人认为氢离子不会被这种氨基酸捕获，而是直接从蛋白质释放到细胞中，裂视紫质中氢离子转运的机制仍然是一个很大的谜团。其特点是，裂视紫质面向细胞内部的部分比其他视紫红质的部分短，尤其是 TM6，短约 13 个氨基酸残基（图 2）。这些结构特征表明，细胞内的谷氨酸具有易于暴露于溶剂的结构（图 3，左）。使用位于氢离子路径中的氨基酸修饰蛋白质（注7）进行的实验表明，溶剂很容易流入蛋白质中（图3，右）。
基于这些结果，我们提出了一种裂视紫红质特有的向内质子传输模型，其中当蛋白质结构因光而变化时，溶剂进入蛋白质，氢离子被谷氨酸吸引的同时直接释放到细胞内（图4）。

　本研究是特别推进研究“V体育物理刺激控制的膜蛋白的分子机制”（课题编号：16H06294，研发代表：Osamu Nureki）和基础研究（B）“光驱动“V体育内向质子泵的传输机制及其在光遗传学中的应用”（课题编号：17H03007，首席研究员：井上敬一）的一部分，青年研究员“非经典视紫红质的结构功能分析”（课题编号：20K15728，首席研究员：Shihoya）此外，这项研究是在药物发现先进技术支持平台（BINDS）的支持下进行的，该平台旨在通过向外界开放同步加速器辐射设施等大型设施，将优秀的生命科学研究成果与药物的实际应用联系起来，作为日本医学研究与发展机构的一部分(AMED) 的“支持生命科学研究的基本平台，包括药物发现”这项工作还得到了日本科学技术振兴机构 (JST) CREST“细胞内次级信使的光学操纵的开发和应用”的支持（首席研究员：Hideki Kandori）。

未来展望

　这项研究表明，裂视紫红质的形式已经进化到能够有效地将氢离子带入细胞，这表明它在阿斯加德古细菌中的生理重要性。未来，有必要开展旨在V体育原始阿斯加德古菌内细胞内氢离子运输作用的研究。这项研究揭示的直接将氢离子释放到细胞中的机制是生物体内氢离子运输机制的突破，有望促进对其他蛋白质分子机制的理解。此外，通过在神经细胞中表达裂视紫质，人们认为可以用光操纵任何神经细胞的兴奋性，并且有望将其用作分子工具来研究与脑神经细胞相关的抑郁症等疾病的发病机制，并V体育酸中毒（一种与血液酸化相关的细胞疾病）的机制。裂视紫质也有望根据结构信息进行修饰并应用于医学研究。

5。出版杂志

杂志名称：美利坚合众国国家科学院院刊
论文标题：裂视紫红质的晶体结构揭示了向内质子泵浦的机制
作者：樋口明光^‡，志保谷涉^‡*、Masae Konno、Tatsuya Ikuta、Hideki Kandori、Keiichi Inoue*、Osamu Nureki*
^‡共同主要作者
*共同通讯作者
DOI 号：101073/pnas2016328118
论文网址：

6。联系方式

研究相关事宜

东京大学研究生院研究生院生物科学系
Osamu Nureki 教授
电话：03-5841-4392
电子邮件：nureki[at]bssu-tokyoacjp

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：inoue[at]isspu-tokyoacjp

V体育工学研究生院生命科学与应用化学系
光生物技术研究中心
神取英树教授
电话：052-735-5207
电子邮件：kandori[at]nitechacjp

举报相关事宜

东京大学理学院研究生院
学术支持人员吉冈奈奈子，教授兼公共关系办公室主任饭野雄一
电话：03-5841-0654
电子邮件：kouhous[at]gsmailu-tokyoacjp

东京大学固体物理研究所公共关系办公室
电话：04-7136-3207
电子邮件：press[at]isspu-tokyoacjp

V体育企划公关科
电话：052-735-5647
电子邮件：pr[at]admnitechacjp

请将 *[at] 替换为 @。

7。词汇表

(注1)视紫红质蛋白
　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，尽管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）以吸收光，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)X射线晶体结构分析
　一种通过分析X射线照射到由规则排列的分子形成的晶体所获得的衍射图像来V体育分子的三维结构的实验方法。它与冷冻电子显微镜和核磁共振一起用于分析蛋白质的三维结构。

（注 4）细菌视紫红质
　它是第一个被发现的微生物视紫红质，它作为光驱动的氢离子流出泵。通过在细胞内外形成氢离子浓度梯度，其他蛋白质可以利用氢离子来产生能量。

(注 5) 日光视紫质
　一种膜蛋白，与辅因子视网膜共价结合并接收光。视紫质大致分为两类：微生物视紫质和动物视紫质。

(注6)视网膜色素
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7)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。

8。附件

　

图 1：裂视紫质简介
（左）培养和分离的阿斯加德古菌的照片，它与裂视紫质的古菌密切相关。它有长长的触手状突起。
（右）目前发现的视紫红质的系统发育树和裂视紫质的示意图。

图 2：裂视紫质的结构
（左）裂视紫质三聚体的整体结构（右）裂视紫质、细菌视紫红质和日光视紫红质的叠加。

图 3：细胞内部容易暴露于溶剂的裂视紫质的特性
（左）裂视紫红质的氢离子转运途径集中在细胞内部。因为TM6很短，所以它不能像其他视紫红质那样覆盖细胞内部，并且谷氨酸81（E81）仅通过两个亮氨酸与溶剂分开。亮氨酸78阻断希夫碱和E81之间的路径，并且认为氢离子由于光活化期间亮氨酸78的移动而移动。 （右）亮氨酸78修饰突变体（下）中蛋白质光吸收的变化，表明水和试剂从外部进入蛋白质，与野生型裂视紫红质（上）相比，即使不暴露在光下，视网膜也更容易发生反应。

图 4：分裂视紫红质的向内氢离子传输模型