已揭示单氢键调节新型视紫红质的光活化反应！ ～氢键的发现，新型光遗传学工具开发的关键～

演示要点

〇〇仅一个氢键的存在或不存在就决定了日光视紫红质的存在或不存在（注1)被发现可以调节光激活态的形成和衰变速率。
〇 成功捕获微秒时域内蛋白质的结构变化，这在以前是无法实现的。
〇光遗传学利用日光视紫红质利用光来控制生物的新陈代谢和物质运输（注2) 结果导致了工具的开发。

总结

　V体育工学研究科（工学部生命科学·应用化学专业硕士2年级）、古谷雄二副教授（工学部（生命科学·应用化学领域）光生物技术研究中心）和特聘教授神取英树（工学部（生命科学·应用化学领域）光生物技术研究中心主任）的研究小组是由我校主导、通过国际联合研究而组成的研究小组。2018发现于自然日光视紫红质运输氢离子，光调节谷氨酰胺合成酶，激活光修复酶，ABC据报道，它具有多种功能，例如转运蛋白的光调节。用于调节功能表达，尤其是由光反应形成的功能表达O人们认为，称为中间体的活性中间体的寿命很重要，但这次我们揭示了第三螺旋中的丝氨酸残基和第四螺旋中的天冬酰胺残基之间形成的氢键起着决定性的作用。S，天冬酰胺N)，快照我把它命名为邦德。此外，通过使用量子级联激光器的双梳光谱，快照该键导致螺旋结构扭曲，O我们还发现它加速了中间体的形成和衰变。快照2024年份6月14分子生物学领域的国际期刊》杂志。

研究背景

　视紫红质是一种光感受器蛋白，由七次跨膜 α 螺旋组成，内部结合有视网膜发色团。视紫红质大致分为动物视紫红质和微生物视紫红质，动物视紫红质负责视觉和昼夜节律，微生物视紫红质在细菌和藻类等微生物中具有离子传输、光传感器、光门控通道和光调节酶等功能。20182017 年，Kandori 杰出教授和以色列理工学院的国际联合研究小组发现了一种新的视紫红质——日光视紫红质。与微生物视紫红质相比，氨基酸序列的同一性较低，并且脂膜中的方向是相反的，等等，导致人们发现它可能负责活生物体中新的光利用策略。2019今年X线晶体结构分析揭示了原子水平的 3D 结构信息。然后2022他于2007年发现了利用光传输氢离子的日光视紫红质，其他研究小组也参与了谷氨酰胺合成酶的光调节、光修复酶的激活，ABC已报道多种功能，例如运输蛋白的光调节。视黄醛光异构化形成的反应中间体之一O中间体很重要，人们认为伴随其形成的结构变化控制着蛋白质活性（图 1）。阐明日光视紫红质的光反应机制O中间体的形成和衰变过程被认为是关键。

图1 日光视紫红质的光反应循环

研究内容/结果

　这个研究小组是2018日光视紫红质，首次报道于48C12) 和2019当年X进行了线晶体结构分析的日光视紫红质（TaHeR)的光反应过程。已经48C12是O中间体形成和衰变的速率塔赫比10我们知道它的速度大约是两倍，但我们不知道其背后的结构因素。首先，使用时间分辨红外光谱探测蛋白质主链结构酰胺I已执行条带分析。然而，O由于中间体的形成发生在微秒时域内，因此无法使用传统的时间分辨红外光谱捕获。因此，在本研究中，我们使用量子级联激光器的双梳光谱，这是一种具有微秒时间分辨率的新型时间分辨红外光谱方法。结果，48C12在1664 厘米^-1的大峰出现了（图2）。该峰是氢键松弛的 α 螺旋 α_Ⅱ它源自螺旋，当丝氨酸和苏氨酸等氨基酸集中在氨基酸序列中时出现。

图 2 使用量子级联激光器的双梳光谱酰胺I时间分辨带测量揭示了两种 α 螺旋的结构变化

　

48C12 和塔赫的氨基酸序列表明48C12在第三个螺旋中具有三个连续的丝氨酸残基，而塔赫对应部分的中间丝氨酸残基被丙氨酸取代。此外，48C12中间的丝氨酸残基与第四个螺旋中的天冬酰胺残基形成氢键，而塔赫不能形成氢键，因为它们分别是丙氨酸和苏氨酸残基。因此，这是一个氢键被取代的突变体48C12的变体S112A/N138T) 和塔赫的变体A113S/T139N)O我们对中间体进行了时间分辨测量（图 3）。
　结果，O我们成功地几乎取代了中间体形成和衰变的时间常数，并且这个氢键48C12的O我们发现它加速了中间体的形成和衰变。形成该氢键的氨基酸残基以单字母代码显示S(丝琳)和N(天冬酰胺)因为它是小睡我给他起名叫邦德。可用作包包扣的磁铁按扣中所示。

图 3小睡通过债券交换O中间体形成/衰变速率的调整

　

更多小睡检查公共数据库上的日光视紫红质、日光视紫红质中保守的键有多少3,612我们收集了类型并进行了序列比对。结果，小睡债券是2,579输入 (72%)被发现在日光视紫红质中是保守且普遍存在的。此外，过去文献等报道的日光视紫红质的光反应周期速度的差异。小睡可以通过键的存在或不存在来解释。小睡邦德揭示了有一条规则决定了日光视紫红质的光反应周期的速度。

社会意义/未来前景

自2018年首次报道以来，日光视紫红质的一些功能已逐渐被揭示。其中，已有报道对参与体内代谢系统的酶和具有药物转运能力的膜蛋白进行光控制，有望以不同于传统使用离子通道和离子传输微生物视紫红质控制神经细胞反应的方式作为光遗传学工具应用。有了这一发现，日光视紫质小睡通过引入/删除债券O通过人为改变中间体的持续时间，可以调节酶活性和药物转运活性，这有望成为控制生物体中光强度的灵活应用。

　这项研究是JSPS科学研究资助特别促进的研究 (21H04969)和新的学术领域研究“高速分子视频”(19H05784)，文部科学省共同利用和共同研究体系形成项目~跨学科领域扩展中心形成计划(JPMXP1323015482)、JST-CREST研究 (摩根大通JCR1753)的支持。

术语表

（注意1) 日光视紫红质
我们眼睛中区分亮度和颜色的视紫红质被归类为动物视紫红质或2型视紫红质，而细菌等微生物中的视紫红质具有离子运输、离子通道和光传感器等功能，被归类为微生物视紫红质或1型视紫红质。2018加利利海（英文名基尼雷特湖)中的微生物的基因进行综合分析，发现日光视紫红质是不同于1型和2型的第三种视紫红质。

``Kandori 实验室纸自然发表于杂志―Heliorhodopsin，一种将光转化为信号的新型蛋白质被发现，揭示了生物体新的光利用策略！―」（2018年份6月21日）

（注意2) 光遗传学
光遗传学（光操纵）技术是一种通过将视紫红质等光响应蛋白的基因引入细胞中，用光控制生物功能的方法。通过将从绿藻中分离出的通道视紫红质 2 引入动物大脑的神经细胞来控制行为和生理反应的研究导致了脑科学的巨大进步。

论文信息

论文标题：SNap 键是螺旋 3 中的 Ser 和螺旋 4 中的 Asn 之间的关键氢键，调节日光视紫红质的结构动力学
作者姓名：Toshiki Nakamura、Manish Singh、Masahiro Sugiura、Soichiro Kato、Ryo Yamamoto、Hideki Kandori 和 Yuji Furutani* *通讯作者
出版物名称：分子生物学杂志
发布日期：2024 年 6 月 14 日
DOI：101016/jjmb2024168666
网址：

联系信息

研究相关

V体育工学研究科工学系（生命与应用化学系）
古谷雄二副教授
电话：052-735-5127
电子邮件：furutaniyuji[at]nitechacjp

公共关系很重要

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 @。