在藻类中发现世界上第一个“光驱动巨离子通道V体育官网” - 有望应用于开发深部大脑区域的新诊断和治疗方法 -

东京大学
V体育
香川大学
日本科学技术振兴机构

1。主持人

Takashi Nagata（东京大学固体物理研究所助理教授）
Kohiro Katayama（V体育工学研究科助理教授/
光生物技术研究中心）
Masae Konno（东京大学固体物理研究所特聘研究员）
Yo Kawanabe（香川大学医学院讲师）
藤原雄一郎（香川大学医学院教授）
Yuji Furuya（V体育工学研究科副教授/
光生物技术研究中心）
Hideki Kandori（V体育工学研究生院特聘教授/
光电生物技术研究中心主任)
Keiichi Inoue（东京大学固体物理研究所副教授）

2。演示要点

◆我们在世界上首次发现多种藻类拥有巨大的离子通道V体育官网“bestrodopsin”，它利用光能传输离子。
◆我们发现，最佳视紫红质由捕获光的视紫红质（注1）和运输离子的斑黄V体育官网（注2）组成，当最佳视紫红质聚集在一起时，它们会形成一个具有大直径离子通道的巨大复合物。此外，我们阐明了离子通道响应光而打开和阴离子传输的一系列机制。
◆该成果有望应用于光遗传学领域（注3），并作为视觉再生医学和心脏病治疗的新分子工具。

3。演示摘要

研究小组由东京大学固体物理研究所井上敬一副教授、V体育研究生院工学与光生物技术研究中心副教授 Yuji Furuya、香川大学医学院特聘教授 Hideki Kandori 和 Yuichiro Fujiwara 教授领导。通过与以色列和德国研究小组的国际合作研究，卢普在世界上首次发现，生活在海洋等水生环境中的多种藻类含有大量蛋白质，这些蛋白质由阳光驱动并具有运输离子的能力。
　这揭示了生物体存在一种全新的利用阳光的方式，不同于已知的方式，例如动物的视觉感知和植物的光合作用。这种新蛋白质是两种分子的融合体：视紫红质（Rhodopsin）和黄斑蛋白（bestropin），视紫红质是一种广泛存在于人类、其他动物和微生物中的光敏蛋白，黄斑黄蛋白是一种离子通道蛋白，可将离子转运到细胞中的各个位置，并被命名为黄斑紫红质（bestrodopsin）。
　未来，利用bestrodopsin由长波长光驱动、可深入体内的特性，有望应用于光遗传学领域，利用光研究抑郁症、癫痫等脑神经疾病的病因，开发这些疾病的治疗方法，并作为视觉再生医学和利用光治疗心脏病的新分子工具。

　该研究结果将于美国东部夏令时间2022年6月16日发布

4。演示内容

研究背景

人们早就知道，生物以多种方式利用光的能量来生存，比如包括人类在内的许多动物都有能力在有光的情况下看到周围物体的形状和颜色，而植物则利用阳光进行光合作用来产生糖。使这成为可能的是每个物种都拥有的一组称为光感受器V体育官网的特殊V体育官网质，它们具有吸收光并将能量转化为生理功能驱动力的作用。众所周知，一种叫做视紫红质的V体育官网质在动物视觉中起着核心作用，一种叫做光系统的V体育官网质在植物的光合作用中起着核心作用。
另一方面，人们认为，每个生物体中都存在数千至数万种V体育官网质，其中大部分的作用仍未知，因此尚不清楚是否存在与已知不同的光感受器V体育官网质，以及生命是否具有以前未知的光利用形式。

研究内容和结果

这次，我们的研究小组重点关注了最近解码的海洋藻类基因组中的基因序列（注4），结果发现多种藻类中存在一种全新的V体育官网质，它是两种V体育官网质的融合体：具有感知光的功能的“视紫红质”和具有在细胞内运输离子的作用的“黄斑黄V体育官网”。这种V体育官网质被新命名为“vestrodopsin”。
首先，我们将该V体育官网质纯化至高纯度，​​并使用最新的结构分析方法——冷冻电子显微镜（注5）研究其结构。结果，我们发现bestrodopsin是一种V体育官网质，其结构为1个或2个视紫红质部分与bestropin部分连接，5个bestropin部分聚集在一起，在构成细胞的脂质双层膜（注6）内形成大型复合物（图1）。在这个复合物的中心有一个称为通道的孔，它穿透脂质双层膜，人们认为离子将通过该通道传输。

图 1 通过冷冻电子显微镜揭示的bestrodopsin 结构。两个视紫红质部分以浅绿色和深绿色显示，黄斑黄V体育官网部分以黄色显示。五个相同的视紫红质分子排列成星形，在中心形成一个巨大的通道，允许带负电的离子通过。

　

接下来，研究小组通过基因操作将bestrodopsin基因导入人工培养的哺乳动物细胞中，研究了bestrodopsin是否真的能够转运离子。结果表明，当光照射到beshodopsin时，视紫红质部分吸收光的能量，导致bestropin部分中心的通道变宽，导致氯离子等带负电的离子涌入。这表明，bestrodopsin是一种全新类型的分子，它利用阳光来控制巨型通道的打开和关闭，从而改变藻类细胞内离子的分布。
　已知许多微生物视紫红质利用光能通过通道传输离子，并被称为通道视紫红质。然而，视紫红质通道由单个视紫红质分子组成，其内部通道的直径不是很大。新发现的bestrodopsin的通道直径比视紫红质通道的直径大得多，并且被认为能够传输更大量的离子。
近年来，一种名为光遗传学的技术在神经科学和神经系统疾病的治疗领域引起了广泛关注，该技术通过在动物大脑和其他区域的神经细胞中表达视紫红质来利用光控制神经活动。然而，由于活体组织对许多视紫红质使用的短波长可见光进行强烈散射，因此很难将这种光传递到体内深处，这一直是光遗传学在疾病治疗中实际应用的主要障碍。相比之下，贝视紫红质的工作原理是使用波长比任何其他视紫红质通道更长的光，即 661 纳米（注 7），因此它有望能够操纵身体深处组织的神经活动并治疗疾病，这在以前是不可能的（图 2）。

图2 传统通道视紫红质和最佳视紫红质吸收的光波长的比较。照片显示了纯化的最佳视紫红质V体育官网的水溶液。

　

　研究小组还研究了视紫红质吸收光并控制离子通道打开和关闭的分子机制。V体育官网质通常不能利用可见光的能量，但对于视紫红质来说，一种称为视网膜（注8）的色素分子与其结合，这种视网膜使其能够捕获并利用可见光的能量。研究小组利用激光和红外光谱（注9）研究了bestrodopsin中的视网膜吸收光时分子发生的变化。结果显示，当光线被视网膜吸收时，视网膜的结构从直变为弯曲。已知动物和微生物视紫质中也会发生类似的视网膜结构变化，但它们弯曲的方式不同。另一方面，虽然bestrodopsin是微生物所拥有的分子，但研究表明，视网膜吸收光时的弯曲方式与动物视紫红质相同（图3）。这表明，在超过 10,000 种已知的微生物视紫红质中，最佳视紫红质是第一个具有类似动物特性的分子，并且它是在藻类中独特进化的分子。
图 3 光引起的视网膜结构变化比较。尽管最佳视紫红质是微生物视紫红质家族的一员，但视网膜的折叠位置与动物视紫红质相同（第 11 个碳原子）。

　

　此外，已知所有视紫红质的视网膜即使在冷却至-200度时，在暴露于光时也会弯曲，但发现贝视紫红质具有除非温度至少为-100度否则不会对光发生反应的神秘特性。红外光谱的结果揭示了V体育官网质内部氨基酸残基衍生的质子化羧酸的氢键的变化以及主链骨架结构的变化。
　从上述结果可知，在视网膜弯曲的反应后，整个视紫红质部分的结构发生变化，并且这种变化被传递到黄斑紫红质部分，从而打开了复合物中心的通道，并且阐明了黄斑紫红质利用光控制离子渗透的分子机制（图4）。

图4 贝斯特罗紫质离子渗透的分子机制。

未来展望

　这项研究表明，各种藻类利用阳光和紫红质来自由控制细胞内的离子浓度。尽管从藻类基因组数据中已经发现了超过20种类型的最佳视紫红质，但本研究仅研究了少数类型的最佳视紫红质的分子特性，预计未来将发现具有更多不同特性的最佳视紫红质。特别是，藻类根据其生活的环境从太阳接收不同颜色的光，因此人们认为，通过使用与本研究中使用的颜色不同的光一起工作的最佳紫红质，将有可能根据藻类的栖息地和类型使用各种光，并且计划在未来的研究中阐明这一点。也有可能发现了可以运输带负电离子以外的离子的最佳紫红质。此外，预计未来的研究将阐明贝斯特罗紫红质光依赖性离子调节的生理作用以及它如何帮助藻类生存。
另一方面，最佳视紫红质具有传统通道视紫红质所不具备的大直径通道，并且能够利用长波长光，将其传送到身体深处，而不会被大脑等活体组织散射。因此，预计光将被应用到光遗传学领域，光有望用于研究抑郁症、癫痫等脑神经疾病的病因，并开发针对这些疾病的治疗方法，以及作为视觉再生医学和利用光治疗心脏病的新分子工具。

　本研究得到文部科学省、日本学术振兴会（JSPS）科学研究补助金（学术转化领域研究（B））“超声波/磁场敏感接收分子的开发及其在肌肉组织形成促进技术中的应用”（首席研究员：井上敬一，项目编号：JP20H05758）”、特别推进研究“运作机制的阐明”的支持支持光遗传学的视紫红质的研究（研究代表：神取英树，项目编号：JP21H04969）”，新学术领域研究“高速分子视频”中的“补充时间分辨结构分析的精密显微光谱”（研究代表：久保稔，共同研究员：古谷佑二，项目编号：JP19H05784）”），以及“日本科学技术振兴机构（JST）战略创意研究推进项目（CREST“利用光特性的生物功能的时空控制技术的开发和应用（研究主管：影山龙一郎）”）英树，项目编号：JPMJCR1753）”，CREST的“下一代基础技术”以新的光学功能和光学特性的表现和利用为基础的光子学（研究主管：北山健一）”、“使用超短红外脉冲光源的显微成像设备的开发及其在生命科学中的应用”（研究代表：藤高雄、共同研究员：古谷裕二、项目编号：JPMJCR17N5）”、PRESTO“阐明生物功能机制的光操纵技术（研究主任：吉则）七田）”、“利用熄灯型视V体育官网的高灵敏度自然视觉再现（研究代表：永田隆、项目编号：JPMJPR1888）”）、PRESTO“利用量子技术创建生命科学基础设施（研究总监：濑户光俊）”、“基于结构基础的颜色识别机制和色觉信息传递机制的阐明（首席研究员：片山浩大、项目编号： JPMJPR19G4)'')。

5。出版杂志

期刊名称：《自然结构与分子生物学》
论文标题：“来自单细胞藻类的视紫红质-黄斑黄V体育官网融合V体育官网形成巨大的五聚离子通道”
作者：Andrey Rozenberg‡、Igor Kaczmarczyk‡、Donna Matzov‡、Johannes Vierock‡、Takashi Nagata、Masahiro Sugiura、Kota Katayama、Yuma Kawasaki、Masae Konno、Yujiro Nagasaka、Mako Aoyama、Ishita Das、Efrat Pahima、Jonathan Church、Suliman Adam、 Veniamin A Borin、Ariel Chazan、Sandra Augustin、Jonas Wietek、Julien Dine、Yoav Peleg、Akira Kawanabe、Yuichiro Fujiwara、Ofer Yizhar、Mordechai Sheves、Igor Schapiro、Yuji Furutani、Hideki Kandori、Keiichi Inoue、Peter Hegemann、Oded Béjà*、Moran Shalev-Benami*
‡联合主要作者
*共同通讯作者
DOI 号：

6。联系方式

研究很重要

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/
光生物技术研究中心
古谷雄二副教授
电话：052-735-5127
电子邮件：furutaniyuji[at]nitechacjp

V体育工学研究生院/
光生物技术研究中心
特聘教授神取英树
电话：052-735-5207
电子邮件：kandori[at]nitechacjp

香川大学医学院
藤原雄一郎教授
电话：087-891-2095
电子邮件：fujiwarayuichiro[at]kakawa-uacjp

与举报相关的事宜

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

香川大学医学院总务部公共关系法规和国际课
电话：087-891-2008
电子邮件：kouhou-m[at]kakawa-uacjp

关于 JST 项目

日本科学技术振兴机构战略研究推进部生命创新小组
安田睦子
电话：03-3512-3524
电子邮件：crest[at]jstgojp

请将 *[at] 替换为 @。

7。词汇表

(注1)视紫红质
V体育官网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，并吸收阳光以表达各种生物功能。动物体内发现的视紫红质在传递与光相关的细胞内信号（例如视觉）方面发挥着作用，而微生物中发现的许多视紫红质则利用光能来传输离子。因此，它们的功能彼此有很大不同，并且在进化上是完全不同的系统。尽管如此，这两种类型的视紫红质有许多共同点，例如两者都具有视网膜色素（维生素 A 的衍生物），结合在V体育官网质内部以吸收光，并且两者都具有由七个膜穿透螺旋组成的V体育官网质结构。

（注2）黄蜂V体育官网
与视紫质一样，它是一种具有运输离子功能的V体育官网质，存在于从动物到微生物的多种生物物种中。当五个黄斑黄V体育官网聚集在一起时，中心会形成一个供离子通过的通道。卵黄V体育官网运输的离子类型因物种而异，但人体中的卵黄V体育官网运输带负电荷的离子，例如氯离子，并且存在于各种器官中。

（注3）光遗传学
将光响应V体育官网的基因导入生物组织的细胞（例如神经细胞）中，并通过外部光照射来控制细胞的生理活动（例如神经活动）的技术。 2005 年左右，随着视紫红质（一种光门控离子通道）的发现，这一目标成为可能，预计未来将应用于视觉再生医学和心脏病治疗，而无需将设备插入体内。

（注4）基因组中的基因序列
个体生物体体内含有数千至数万种V体育官网质，这些V体育官网质使所有生命活动成为可能。所有V体育官网质都是由20种氨基酸连接在一起组成的，它们连接在一起的方式被记录在细胞内的长DNA中，作为构成DNA的碱基序列（基因序列），每个生物体的DNA集合称为基因组。

(注5)冷冻电子显微镜
一种电子显微镜技术，使用冷冻生物样本检查V体育官网质和细胞器的结构。一种称为单粒子分析的技术使得在原子水平上揭示大型复杂V体育官网质的三维结构成为可能，并于 2017 年荣获诺贝尔化学奖。

(注6)脂质双层膜
细胞表面以及细胞内的线粒体、内质网和细胞核覆盖着一层由脂质分子制成的膜，称为脂质双层膜。脂质双层膜上和内部存在多种V体育官网质，特别是视紫红质和黄斑黄V体育官网等具有穿透脂质双层膜的结构的V体育官网质被称为膜V体育官网。
　
（注7）纳米
一纳米 (1 nm) 相当于十亿分之一米。也用作光的波长单位。

（注8）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V体育官网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V体育官网质内。当视紫质V体育官网内部的视网膜吸收可见光时，其折叠结构发生变化，从而使V体育官网质部分发生变化，使其表达各种生理功能。

(注9)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V体育官网质时，可以辨别构成V体育官网质的氨基酸的微小结构差异和骨骼结构的变化。