选择性吸收靛蓝光的视紫红质V体育蛋白 KnChR 的结构和功能的阐明 - 多波长光遗传学工具的应用途径 -

东京大学／V体育

演示要点

〇〇我们阐明了源自腋藻的视紫质V体育蛋白“KnChR”在前所未有的短波长（靛蓝光，450 nm）下发挥作用的机制。
〇〇我们成功分析了二聚视紫红质V体育蛋白KnChR的结构，该结构被认为由于尺寸小而难以分析。
〇〇我们创造了一种新的突变体，可以响应更短的波长（KnChortRQ：420 nm），扩大了使用多色光对多种类型细胞进行光刺激测量的应用可能性。

摘要

由东京大学研究生院理学研究科的 Osamu Nureki 教授和V体育生命与应用化学学院的特聘教授 Hideki Kandori 领导的研究小组，使用冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 通过单粒子分析 (注 3) 确定了二聚通道视紫红质 (ChR) (注 1) KnChR 的三维结构 (注2）。

KnChR 是一种源自圆柱形藻类的 ChR（注 4），由杰出教授 Kandori 领导的团队于 2021 年首次报道。迄今为止，大多数已知的 ChR 通过吸收蓝绿光（约 470 nm）或黄绿光（540 nm）发挥作用。另一方面，KnChR 在 450 nm 的短波长（靛蓝光）下发挥作用，但其机制尚不清楚。这次，我们利用冷冻电镜确定了KnChR的结构，并通过进行电生理实验（注5）和光谱实验（注6），阐明了KnChR接收靛蓝光的机制。此外，基于该结构，我们成功地创造了一种可以响应较短波长光的突变体，并发现了KnChR作为多光遗传学（注7）工具的进一步应用潜力。

这将使未来能够使用靛蓝光进行神经网络的光遗传学研究（注 8）。这一结果预计将有助于阐明抑郁症、心脏病等精神疾病和肌营养不良等肌肉疾病的机制和开发新疗法。

演示内容

研究背景

V体育视紫红质是一种源自微生物的视紫红质，当结合的视网膜接受光并发生结构变化时，它充当各种离子可以通过的V体育。自2005年报道视紫红质V体育蛋白2（ChR2、CrChR2）可以控制神经元放电以来，ChR作为一种光遗传学工具已被广泛研究。近年来，利用不同波长的光控制多个神经元的“多色光遗传学”引起了人们的关注，但对短波长光敏感的 ChR 的研究仍然有限。

KnChR 是一种罕见的吸收靛蓝光的 ChR，但其吸收机制尚未阐明。此外，在经典ChR中（注9），KnChR具有较长的C末端区域，会影响V体育开放时间，但其发生机制仍不清楚。在本研究中，我们试图阐明 KnChR 的全长结构并回答这些问题。

研究内容和结果

在本研究中，我们通过冷冻电镜单粒子分析以 27 Å 的分辨率确定了 KnChR 氨基酸残基 27-291 对应区域的三维结构（图 1）。由于KnChR分子尺寸较小，很难通过单颗粒分析确定其高分辨率结构。这次，通过将KnChR重构为人工脂质膜纳米盘（注10），我们将颗粒作为包含纳米盘的较大颗粒进行分析，同时保持接近膜环境的稳定状态，结果，我们成功地以高分辨率确定了结构。

获得的结构信息表明，KnChR 形成类似 CrChR2 的二聚体。关于KnChR的C末端区域，确认H275-R291区域形成清晰的结构。提示H275-R291区域可能通过与跨膜区域相互作用来控制KnChRV体育的打开和关闭。

当结合的视网膜接收光并经历结构变化时，ChR 充当V体育。通常，当V体育关闭时，视网膜具有全反式结构，但据研究，KnChR具有特殊的6-s-cis（注11）结构（图2）。在全反式视黄醛中，平面结构由第六和第七个碳原子 (C6-C7) 固定（图 2）。另一方面，在6-s-顺式视黄醛中，这部分是扭曲的，β-紫罗兰酮环从多烯链平面旋转约140度（图2）。有人认为，这种结构变化引起的 π 共轭体系收缩以及相关的激发能增加导致吸收波长向较短波长移动。

此外，通过在源自大鼠大脑皮层的原代培养细胞中表达 KnChR 并评估神经元的放电频率，我们发现它除了吸收靛蓝光 (423 nm) 之外，还吸收紫外线 (385 nm)，并且可以触发神经元放电（图 3）。因此，在本研究中，我们重点研究视网膜与视网膜周围残基之间的相互作用，这些残基参与ChR的吸收波长，旨在开发使用较短波长光的多色光遗传学。

在原视紫红质组中，已知吸收波长根据105位上的残基是亮氨酸还是谷氨酰胺而从绿光变为蓝光。本研究揭示的KnChR结构显示，KnChR的同源残基I129位于视网膜席夫碱(注12)附近，并被大体积的疏水性残基包围。我们创建了一个 I129Q 突变体，其中 KnChR 的 I129 被谷氨酰胺取代，并成功地将最大吸收波长转移到更短的波长（420 nm）（KnChortRQ）（图 3）。

这项研究结果有望加深我们对微生物视紫红质结构和吸收波长控制机制的理解，并有助于新型光遗传学工具的开发。

演讲者/研究人员信息

东京大学研究生院研究生院生物科学系
Wang Ametake，博士生（日本学术振兴会研究员-DC2）
Hiroaki Akasaka，博士生（日本学术振兴会特别研究员-DC1）
佐野文也特聘助理教授
田中龙树特聘助理教授
Osamu Nureki 教授

庆应义塾大学医学院坂口光宏纪念讲座（信号探索）
志保谷涉副教授（研究时：东京大学研究生院理学研究科）

V体育
工程研究生院
Koki Natsume 硕士课程（研究时）
田代伦太郎硕士课程（研究时）

生命与应用化学系
细岛能子特聘副教授
角田聪特聘副教授
神取秀树特聘教授

论文信息

杂志名称：Nature Communications
标题：来自 Klebsormidium nitens 的蓝移V体育视紫红质的冷冻电镜结构。
作者姓名：Yuzhu Z Wang、Koki Natsume、Tatsuki Tanaka、Shoko Hososhima、Rintaro Tashiro、Fumiya K Sano、Hiroaki Akasaka、Satoshi P Tsunoda、Wataru Shihoya*、Hideki Kandori*、Osamu Nureki*。
(*共同通讯作者)
DOI：101038/s41467-025-59299-9
网址：

研究补助金

这项研究得到了日本医学研究开发机构 (AMED) 生命科学和药物发现研究支持计划 (BINDS)“支持高难度膜蛋白的制备和结构分析网格制备”（研究代表：Osamu Nureki）和日本学术振兴会的科学研究经费。该项目得到了特别推进研究项目“阐明支持光遗传学的视紫红质的运行机制”（研究代表：神取秀树）和文部科学省跨学科中心形成计划“多尺度量子-经典生命界面研究联盟”的支持。

术语表

(注 1) 视紫红质V体育 (ChR)
一种微生物视紫红质，由具有跨越七层膜的螺旋结构的视蛋白和发色团视网膜组成。它们接受光并开放V体育，允许离子被动通过。

(注2)冷冻电子显微镜
一种通过将电子束照射到在液氮（-196°C）冷却下快速冷冻的样品来可视化分子结构的装置。它常用于单颗粒分析方法，获取蛋白质、核酸等生物聚合物的多重投影图像，并通过图像分析重建其三维结构。

(注3)单粒子分析
一种通过从不同方向收集冷冻样品中存在的许多相同分子的电子显微镜图像，然后通过计算排列和平均这些图像的方向和排列来重建分子三维结构的方法。一种不需要结晶、能够在比传统 X 射线晶体结构分析方法更接近生理条件的条件下获取高分辨率结构信息的分析技术。

(注4)车轴藻类
一种丝状绿藻，生活在淡水和潮湿的陆地环境中。它在系统发育上与原始陆地植物相关，是研究植物移居陆地过程及其光感受器机制进化的重要模式生物。

(注5)电生理学实验
一种测量细胞和组织电活动的技术。通过使电极与细胞表面接触并测量通过V体育的电流来分析通过V体育的离子量的方法。

(注6)光谱实验
一种测量物质吸收或发射的光谱并分析其结构和性质的方法。

（注7）光遗传学
一种利用光控制特定细胞和组织的技术。一种将光响应蛋白引入细胞并利用光精确控制细胞活动的方法。特别是，近年来广泛使用通过将视紫红质V体育蛋白掺入神经细胞、接收特定波长的光并允许阳离子流入来人为控制神经放电的方法。

(注8)神经网络的光遗传学研究
一种光遗传学，一种同时使用多个波长的光来控制不同神经活动的技术。人们非常期望这项技术能够广泛应用于神经回路的分析、疾病机制的阐明，甚至治疗方法的开发。

(注释 9) 经典视紫红质V体育 (ChR)
这里，我们指的是一组源自绿藻的视紫红质V体育蛋白，主要形成同型二聚体，最早在菊花中鉴定出的视紫红质V体育蛋白-1和-2就是代表性的例子。它们结构相似，遗传保守性相对较高。

（注10）纳米圆盘
一种人工脂质双层结构，用于将膜蛋白稳定在接近生理膜环境的状态。

(注11)全反式视黄醛和6-s-顺式视黄醛
“全反式”是指视网膜中所有双键都位于相对侧（反式）的结构，
“6-s-cis”是指通过绕第6位和第7位碳之间的单键旋转而弯曲至同一侧(顺式)的结构。这项研究表明，视黄醛与周围残基的结合模式根据其是全反式还是6-s-顺式而变化，从而影响视紫红质的吸收波长。

(注12)席夫碱
此处，它是视网膜分子的醛基与位于视蛋白第七跨膜螺旋的赖氨酸残基的氨基之间形成的共价键。席夫碱的质子化状态很大程度上参与了感光时视网膜的异构化反应。

联系信息

研究相关

东京大学科学研究生院生物科学系
Osamu Nureki 教授
电话：03-5841-4394
电子邮件：nureki[at]bssu-tokyoacjp

V体育生命与应用化学系
特聘教授神取英树
电话：052-735-5207
电子邮件：kandori[at]nitechacjp

与举报相关的事宜

东京大学理学研究科/理学院公共关系办公室
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