阐明哺乳V体育和水母负责视觉功能的蛋白质光感应功能的相似性 - 使用红外光谱和人工智能追踪眼睛接受光线的蛋白质的进化 -

演示要点

〇〇虽然箱形水母是眼睛高度发达的原始无脊椎V体育（刺胞V体育），但研究表明，负责眼睛感光功能的蛋白质（jellygerhodopsin（注1））表现出与哺乳V体育等脊椎V体育相似的光响应特性。
〇〇利用红外光谱和人工智能进行结构分析表明，果冻视紫红质具有与脊椎V体育视紫红质相似的光反应特性，这是由于对光吸收和反应功能重要的氨基酸残基的独特位置所致。
〇我们获得了新的知识，揭开了视紫红质进化之谜，视紫红质是第一个为包括人类在内的V体育提供视觉功能的功能性蛋白质。
〇〇有望促进对果冻视紫红质作为新型光遗传学（注2）工具应用的分子基础的理解。

摘要

V体育工学研究生院犬养志乃先生（工学部生命与应用化学专业硕士2年级学生）、片山浩大副教授、神取秀树特聘教授、大阪公立大学研究生院理学院寺田明久教授、小柳光政教授的研究小组发现，眼睛高度发达的箱形水母已将反离子（注3）移动到在进化过程中，它在视紫红质（水母视紫红质）中具有独特的地位，因此它表现出与脊椎动物视紫红质相似的光响应特性。通过对具有不同反离子位置的三个物种（水母：原始无脊椎动物（刺胞动物）、牛：脊椎动物和乌贼：发达的无脊椎动物（软体动物））的视紫红质进行比较分析，他们成功获得了支持水母视紫红质分子进化的结构变化信息。

本研究结果摘要

　该研究成果于2023年5月24日发表在《美国科学杂志》上。》杂志。

研究背景

　大多数V体育，包括人类，通过使用称为视紫红质的光感受器膜蛋白来传输视觉信息。视紫红质有一种称为视黄醛的色素分子，它是一种维生素 A 衍生物，结合在其蛋白质内。视黄醛通过其带正电的位点（席夫碱键）与视紫红质结合，而视紫红质具有一个带负电的氨基酸（称为抗衡离子）来稳定该键。视网膜本身吸收紫外线，但当它与视紫质蛋白结合时，它就能够吸收可见光。此时，当光吸收引发视网膜的顺式异构化反应（注4）到反式异构化反应时，我们的视觉功能就开始了。据报道，视紫红质内的抗衡离子在将吸收光的波长从紫外光转移到可见光以及控制“顺反”异构化反应方面发挥着重要作用，使抗衡离子成为我们视觉功能的必需氨基酸。
　该抗衡离子在视紫质内的位置在无脊椎V体育视紫红质和脊椎V体育视紫红质之间显着不同。最近的比较研究揭示了脊椎V体育如何进化出视紫红质来改善视觉功能。例如，无脊椎V体育视紫红质的抗衡离子位于细胞外的第二个环（注5），而在脊椎V体育视紫红质中，研究表明，通过将抗衡离子转移到位于跨膜（注5）位点的第三个螺旋（注5），可以提高光学信息传输的放大效率。近年来，研究表明，箱形水母（刺胞V体育）是一种原始无脊椎V体育，但眼睛高度发达，其水母视紫红质也将反离子转移到第二跨膜螺旋，该位置在空间上与脊椎V体育视紫质的位置相似（图1）。

图1 反离子位置的位移

　

另外，V体育视紫红质是G蛋白偶联受体的一种（注6），通过G蛋白传递接收到的光的信息。在几种类型的G蛋白中，(G_t，G_i，G_o，G_q，G_s，G_12/13)(注7)，传统上，无脊椎V体育视紫红质是G_q蛋白质，脊椎V体育视紫红质是 G_{t（输入/输出）}人们普遍认为信息是通过蛋白质传递的。另一方面，在迄今为止发现的1000多种V体育视紫红质中，果冻视紫红质是第一个_s我们发现信息是通过蛋白质传递的。 G_s由于蛋白质细胞内信号递质是细胞内第二信使cAMP，果冻视紫红质作为一种利用光来增加细胞内cAMP浓度的新型光遗传学工具也引起了人们的关注。这样，水母视紫红质在V体育视紫红质进化以改善视觉功能的基础研究和作为光遗传学工具的应用研究中发挥着重要作用。然而，果冻视紫红质表现出光响应性和 G_s迄今为止，蛋白质介导的信息传递所涉及的分子机制仍然很大程度上未知。

研究内容/结果

　该课题组通过在液氮温度（77 K）下进行紫外可见分光光度计和傅里叶变换红外光谱测量，成功捕捉到了水母视紫红质吸收光后、视网膜发生“顺反”异构化后立即形成的视紫红质蛋白的结构变化。
具体来说，通过计算在黑暗中制备并在77 K下冷冻的果冻视紫红质样品照射光之前和之后的红外吸收光谱的差异，我们试图将由于视网膜在原子水平上的异构化而从预反应状态到初始中间体的转变所引起的结构变化捕获为红外信号。具有不同反离子位置的三个物种（水母：原始无脊椎V体育（刺胞V体育）、牛：脊椎V体育、鱿鱼：发达无脊椎V体育（软体V体育））的视紫红质初始中间体的红外差异光谱的精确比率。通过比较分析，我们成功提取了水母视紫红质的结构信息特征，发现水母视紫红质源自视网膜希夫碱的红外信号与牛视紫红质相似。这表明水母视紫红质的视网膜席夫碱与反离子之间的相互作用强度与牛视紫红质相似（图2a）。
此外，我们利用充分利用人工智能系统的蛋白质结构预测工具构建了水母视紫红质的模型结构，并分析了视网膜-希夫碱和抗衡离子之间的距离。结果我们发现水母视紫红质和牛视紫红质是不同的。虽然其跨膜螺旋中存在抗衡离子（前者：第二螺旋，后者：第三螺旋），但发现希夫碱与抗衡离子之间的距离与从牛视紫红质的X射线晶体结构分析的希夫碱与抗衡离子之间的距离几乎相同（图2b）。虽然傅里叶变换红外光谱无法获得原子位置信息，但它的优点是能够通过提取分子振动的变化作为光谱变化来捕获原子水平上化学相互作用的变化。此次，通过结合傅里叶变换红外光谱获得的相互作用信息和利用人工智能系统构建的水母视紫红质模型的结构信息，我们首次阐明了水母视紫红质的视网膜-希夫碱与抗衡离子之间的空间位置关系。

图2(a)红外光谱观察到的水母、牛和牙紫质的席夫碱N-D伸缩振动
　(b) 水母视紫红质模型结构（粉色）与牛视紫红质3D结构（灰色）的结构比较

　

换句话说，水母视紫红质在进化过程中已将反离子放置在与脊椎V体育视紫红质空间相似的位置，以改善视觉功能。此外，对反映视网膜化学结构的红外信号进行详细的对比分析，显示出与牛视紫红质相比，其光谱形状更接近于牛视紫质的光谱形状，这表明视网膜的异构化反应过程也与牛视紫红质具有高度的相似性。上述结果表明，尽管是无脊椎V体育，但在箱形水母眼睛的感光中发挥作用的视紫红质的光响应特性表现出与脊椎V体育视紫红质相同的行为。
_s它可能显示出通过蛋白质进行光学信息传输的特征性结构变化。

　　　　图3(a)红外光谱得到的苏氨酸的O-H伸缩振动
　　　　(b) 蛋白质主链的C=O伸缩振动
　　　　(c) 水母视紫红质模型结构（粉色）与牛视紫红质3D结构（灰色）的结构比较

社会意义/未来展望

　Jlagerhodopsin是V体育视紫红质中唯一的G_s有关接收到的光的信息通过蛋白质传输到细胞中。那么，水母视紫红质被激活的机制是什么呢？G_ss预计应用研究将继续扩大，例如阐明蛋白质介导的信息传递异常引起的疾病的机制和治疗疾病。

　该研究成果基于日本科学技术振兴机构（JST）战略创意研究促进项目。 PRESTO“利用量子技术创建生命科学基础设施”研究领域研究标题：“基于结构基础的颜色识别机制和色视觉信息传输机制的阐明”（JPMJPR19G4）2019年采用（研究员：Kodai Katayama），CREST“利用光特性的生命科学机器”这项工作得到了“能乐时空控制技术的开发和应用”领域（JPMJCR1753，研究）的支持标题：细胞内次级信使光学操纵的开发与应用，首席研究员：神取英树）和科学研究资助（特别促进研究、新学术领域研究等）。

术语表

(注1)水母视紫质
箱形水母(箱形水母）蛋白质（视紫红质) 箱形水母是属于刺胞V体育门的原始无脊椎V体育，但它们具有高度发达的晶状体眼睛，类似于包括人类在内的脊椎V体育。

（注2）光遗传学
这是一种利用基因方法将光感受器蛋白引入特定细胞或生物组织中，然后通过施加外部光刺激来操纵生命活动的技术。具有离子通道功能的微生物视紫红质被广泛用作光遗传学工具，用光控制神经活动，而V体育视紫红质有望用作利用光来控制许多生物体细胞内信息传递所用的第二信使（环核苷酸分子：cAMP、cGMP）的合成，以及发挥生理功能的钙离子的释放的工具。

(注3)抗衡离子
指存在于视网膜附近的带负电荷的氨基酸（谷氨酸或天冬氨酸），以稳定视网膜和蛋白质之间的结合位点（希夫碱键）的正电荷。众所周知，脊椎V体育视紫红质在第二个螺旋中获得抗衡离子，与无脊椎V体育视紫红质相比，视紫红质激活G蛋白的效率提高了约50倍。

(注4)视黄醛从顺式异构化为反式的异构化反应
视觉中发生的第一个事件是视网膜从顺式异构化到反式异构化反应。普通V体育视紫红质在其初始状态下选择性地结合视网膜的11-顺式形式，并在接收光后异构化为全反式形式。

(注5)螺旋、环、跨膜
多肽链是蛋白质的一级结构，通过主链的N-H和C=O基团之间形成氢键，形成螺旋或片状二级结构。其中，螺旋结构被称为α-螺旋结构。另外，当不形成氢键时，形成线状环结构。
膜蛋白的三维结构分为穿透生物膜的部分（跨膜部分）和暴露在细胞内外的部分。 G蛋白偶联受体（注6），包括视紫红质，由七个跨膜螺旋和连接它们的环结构组成。

(注6)G蛋白偶联受体
它是一种具有七α螺旋结构的膜蛋白，通过激活由三个亚基组成的G蛋白将外部刺激（视觉、味觉、嗅觉等）传递到细胞内。根据G蛋白偶联受体的类型和接受的刺激，它可以与大约20种不同类型的G蛋白偶联，从而产生不同的细胞反应。

（注7）G_t，G_i，G_o，G_q，G_s，G_12/13
G蛋白根据信息传递方式和氨基酸序列同源性分为几种类型。其中，G_s蛋白质通过激活腺苷酸环化酶 (AC) 来产生 cAMP。另外，G_i和G_o蛋白质通过抑制感光细胞中存在的 AC 和 G 来抑制 cAMP 的产生_t蛋白质通过激活磷酸二酯酶 (PDE) 来抑制 cGMP 的产生。此外，G_q蛋白质通过激活磷脂酶 CG 增加钙离子的浓度_12/13蛋白质通过 Rho 鸟嘌呤核苷酸交换因子 (Rho-GEF) 控制细胞形态发生。

论文信息

论文标题：利用反离子在非典型位置研究水母视紫红质的光异构化机制
作者姓名：Shino Inukai、Kota Katayama*、Mitsumasa Koyanagi、Akihisa Terakita、Hideki Kandori*
*通讯作者
出版期刊名称：The Journal of Biological Chemistry
发布日期：2023 年 5 月 24 日
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V体育工学研究科工学部（生命科学和应用化学领域）
片山浩大副教授
电话：052-735-5218电子邮件：katayamakota[at]nitechacjp

V体育工学研究科工学部（生命科学和应用化学领域）
特聘教授神取英树
电话：052-735-5207电子邮件：kandori[at]nitechacjp

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寺北明久教授
电话：06-6605-3144电子邮件：terakita[at]omuacjp
　　
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