结合钙离子的视紫红质的发现 - 海洋细菌感知钙的机制以及传感器应用的期望 -

演示要点

〇〇人们认为内部结合阳离子的视紫红质并不存在，但发现海洋细菌中发现的TAT视紫红质可以结合钙离子。
〇〇这种视紫红质被认为可以感知环境中的钙浓度和 pH 值。
〇こ视紫红质分子的特性的钙传感器。

摘要

　大学光生物技术研究中心的神取英树教授、片山浩大助理教授、工学研究科的杉本哲平先生（工学部生命与应用化学专业硕士二年级）发现，海洋细菌中的视紫红质与钙离子结合。
　视紫质内部存在一种称为视网膜的分子来吸收光，但人们认为，由于该分子带有正电荷，因此阳离子不会在视紫红质内部结合。这次，Kandori 小组发现 TAT 视紫红质（一种在海洋细菌中发现的视紫红质）可以与钙离子结合。研究表明，TAT视紫红质通过中和视网膜分子的正电荷并将其从黄绿光转变为吸收紫外线的状态来实现钙离子结合（图）。有趣的是，结合钙离子后，光信息在蛋白质上的保留时间延长了一百万倍以上，这表明 TAT 视紫红质充当钙依赖性紫外线传感器。
　钙离子对于生物体中的信息传输至关重要，并且已经开发了各种钙传感器用于体内成像。视紫红质的发现首次结合钙离子，预计将导致光遗传学等应用的进步。

　该研究成果发表在美国化学会期刊《The Journal of Physical Chemi》上stry”杂志（2022 年 3 月 9 日）已发布。

研究背景

　钙构成我们的骨骼和牙齿，作为离子 (Ca2+)，在心脏和肌肉的收缩、大脑的信息传输和记忆中发挥着重要作用。细胞外液中有2mmol钙离子，但细胞内只有00001mmol。在这种状态下，细胞内钙离子的浓度迅速增加，导致肌肉开始收缩，脑神经细胞变得活跃。钙成像是一种利用结合钙离子并发光的分子来监测大脑活动的方法。光线照射方式的变化表明细胞内钙离子浓度的增加。
　视紫红质是一种光传感器蛋白，提供我们的视觉和微生物的各种功能。存在于微生物中的视紫红质作为光遗传学的工具也引起了人们的关注，光遗传学是一种利用光控制动物行为的新技术。视紫红质可以吸收各种颜色的光（400-700 nm；可见光），因为光吸收分子视网膜（维生素 A 的相关分子）带有正电荷。事实上，当视紫红质内部的视网膜分子失去正电荷并变成中性时，它只吸收360-400 nm范围内的紫外线（见图），但到目前为止，还没有已知微生物视紫质能够吸收紫外线。
　如果视紫红质可以在内部结合阳离子和阴离子，则它可以用作传感器和光遗传学。事实上，视紫质在视网膜附近结合带负电荷的氯离子，是已知的并且也用于光遗传学。另一方面，由于视网膜带有正电荷，由于静电排斥，阳离子不能结合在视紫红质内部。到目前为止，视紫红质一直被认为不可能充当阳离子传感器。

研究内容/结果

　视紫红质（TAT rhodopsin）存在于海洋细菌中，因其重要部分的氨基酸为苏氨酸（T）、丙氨酸（A）、苏氨酸（T）而得名。这种视紫红质的一个特征是在海洋 pH 条件下它以可见光吸收和紫外光吸收两种形式存在（图）。人们已经知道TAT视紫红质感知海洋环境中的pH值，因为两者的比例随着pH值的变化而变化，但现在已经揭示，两者的比例随着钙离子浓度的变化而变化。使用相同的二价镁离子和单价阳离子（例如钠离子和钾离子）也观察到与 TAT 视紫红质的结合，但钙离子的结合可能性是镁离子的 10 倍，是单价阳离子的 1,000 倍。此外，我们发现，当黄绿光在没有钙离子存在的情况下被吸收时，它会在000001秒内转化为热量，但当钙离子结合时，有关紫外线吸收的信息会在蛋白质中保留超过10秒（图）。
　TAT视紫红质通过中和视网膜分子，将其从吸收黄绿光的可见光吸收型转变为吸收紫外光的状态，从而实现钙离子的结合。使用突变体的实验表明，钙离子在第 54 位与谷氨酸结合，在第 227 位与天冬氨酸结合。红外光谱还表明，钙结合显着改变了视紫红质的结构。

社会意义/未来展望

　这项研究表明，这种海洋细菌利用 TAT 视紫红质来感知海洋环境中的钙浓度和 pH 值。根据钙离子的存在与否，光反应时间相差超过一百万倍，揭示了海洋细菌仅使用紫外线作为信息源而不是黄绿色可见光的巧妙传感策略。然而，与昆虫和其他能看到紫外线的昆虫不同，海洋细菌捕获紫外线的能力的意义尚不清楚，我们的了解才刚刚开始。
　钙离子对于生物体中的信息传输至关重要，并且已经开发了各种钙传感器用于体内成像。从应用角度来看，首次结合钙离子的视紫红质的发现也值得注意。例如，通过开发利用光能传输钙离子的蛋白质以及将TAT视紫红质的钙传感器原理应用于其他视紫红质，光遗传学有望得到发展。

论文信息

论文标题：钙与 TAT 视紫红质的结合
作者姓名：Teppei Sugimoto、Kota Katayama、Hideki Kandori
出版期刊名称：The Journal of Physical Chemistry
发布日期：2022 年 3 月 9 日
DOI（数字对象标识符）：101021/acsjpcb2c00233
网址：

这项研究成果得到了日本文部科学省的科学研究补助金（特别促进研究）、日本科学技术振兴机构（战略创意研究促进项目 CREST“利用光特性的生物功能时空控制技术的开发和应用”和 PRESTO“利用量子技术创建生命科学基础设施”）的支持。

联系信息

研究相关事宜

V体育工学研究科生命科学与应用化学系
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