研究内容

研究室で進めている研究は大きく3つに分けることができます。

１．視覚の光情報変換機構の研究

視細胞には視物質に始まる光シグナル伝達系があり、これに関与する機能性タンパク質の分子特性や含有量により視細胞の応答特性が決まります。また、脊椎動物の２種類の視細胞、桿体と錐体では、視細胞特性が異なりますが、これは細胞内の機能性タンパク質の分子進化・多様化に起因すると考えられます。

そこで、視物質を中心にして、① 機能性タンパク質の分子特性やタンパク質間相互作用を物理化学的・生化学的・分子生物学的手法を駆使して明らかにすること、また、② 脊椎動物の桿体・錐体の応答特性の違いを生み出す機能性タンパク質の多様化についてアミノ酸残基のレベルで明らかにすることを目指しています。

２．オプシン類の多様性解析

オプシン類には、視細胞において視覚の光受容体として働くもののほか、視細胞以外に存在するものがあります。これらは、概日リズムの光同調など視覚以外の機能に関わる光受容体であると考えられます。一方、すべてのオプシン類は１つの分子系統樹の中に含めることができます。つまり、オプシン類はもとをただせば１つの遺伝子が多様化したものと考えることができます。そこで、各種オプシン類の分子的性質の解析から機能を推定し、さらには、先祖型の受容体から種々のオプシンが進化・多様化する過程を追跡していくことを考えています。そして、オプシン類の機能多様化の過程にどのようなアミノ酸残基が関わるのか明らかにすることを目指します。

3. Gタンパク質共役型受容体（GPCR）の構造・機能解析

視物質ロドプシンは光受容体であると同時に、Gタンパク質共役型受容体（G protein-coupled receptor, GPCR）の一員であり、構造・機能相関に関する研究が進んでいます。GPCRは、お互いにアミノ酸配列の相同性のないいくつかのグループに分類されます。しかし、アミノ酸配列の相同性のないGPCRも共通の構造（７回膜貫通α-ヘリックス構造）と機能（Gタンパク質の活性化）を有するので、単なるアミノ酸配列の比較では解析できない共通の機能発現メカニズムがあると想像されます。そこで、ロドプシンで明らかにされた機能発現メカニズムがアミノ酸配列の相同性のないGPCRにも適用されるのかを、ロドプシンとは異なるファミリーに属するGPCR（たとえば、mGluRやGABA受容体、また、グルカゴン受容体）を実験対象にして解析しています。

ロドプシン

脳科学辞典「ロドプシン」

by Take Matsuyama & Yoshinori Shichida

脳科学辞典（脳科学分野の約1,000個の用語を解説し、無償で公開しているサイト）でロドプシンについて解説しました。以下脳科学辞典「ロドプシン」より一部抜粋

眼の網膜には光受容に特化した2種類の視細胞、桿体と錐体が含まれ、それぞれには光を受容するために特別に分化したタンパク質（光受容タンパク質）が含まれる。これらのタンパク質を視物質と呼び、特に桿体の視物質（桿体視物質）をロドプシンと呼ぶ。桿体には外節と呼ばれる光受容に特化した領域があり、その中には円盤膜（disk membrane）と呼ばれるパンケーキ状の膜構造がある。ロドプシンはこの膜構造の中に大量に埋め込まれて存在している。 ロドプシンはアポタンパク質と発色団レチナールより構成されており、レチナールが光を吸収することによって異性化しタンパク質部分の構造変化を起こし、Gタンパク質を介して細胞内シグナル伝達系を駆動する。光を吸収するという光受容体としての機能・特性がそのまま分子の物性を反映するプローブとして使えるため、ロドプシンは分光法によってその光反応過程が詳細に解析されており、Gタンパク質共役型受容体（GPCR）のなかでも最も研究が進んでいる受容体としても注目されている。また近年ではロドプシンに近縁なタンパク質（ロドプシン類あるいはオプシン類）が多く同定されており、さまざまな生物種の視覚の他に概日リズムの光同調などの視覚以外の生理機能を担っていることが明らかになっている。

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最近発表した論文の要旨

Neuropsin

脊椎動物における新規紫外光受容タンパク質の同定

by Takahiro Yamashita

ニワトリのOpn5について人工的にタンパク質を作製することに成功した。その結果、これまでの予想とは異なり紫外光感受性を有することがわかった。またOpn5は、ニワトリの眼の視細胞以外のいくつかの神経細胞、さらには時刻や季節の認識に関わる光受容体があると考えられていた脳内の松果体や視床下部室傍器官に発現していることがわかった。本研究は、ヒトもOpn5を用いて眼や脳内で紫外光を感受している可能性を示す世界で初めての結果である。

作成中

スプリットロドプシンを用いたロドプシン細胞外第二ループの機能解析

by Kazumi Sakai

GPCRの細胞外第二ループはリガンドに対応した特徴的な構造を有しています。ロドプシンでは、βシート状にタンパク内部に折りたたまれて、レチナール結合サイトを形成しています。本研究ではこの第二ループがリガンド結合サイトを形成するだけでなく、ロドプシンの活性化状態形成にも関わっていることを、スプリットミュータントを用いた分光解析から見出しました。

Covalent bond between retinal and opsin

ロドプシンがリガンドと共有結合している機能的・進化的な意義

by Take Matsuyama

オプシン類は拡散性のリガンドを持つ祖先型のGPCRから進化したと考えられるが、一般のGPCRとは違ってリガンド分子であるレチナールがオプシン部分と共有結合している。この共有結合を欠いたウシロドプシンの変異体を作製して解析した結果、共有結合はレチナールの光反応特性には必要がないが、活性状態の生成には重要な役割を果たすことがわかった。つまり、ロドプシンは分子進化の過程でレチナールとの共有結合をうまく利用することで効率的にG蛋白質を活性化するようになったと考えている。

Sato

ウシロドプシンの活性状態のpH平衡とGタンパク質との結合状態の解析

by Keita Sato

ウシロドプシンの活性状態MetaIIとその前駆状態MetaIがpH依存的な平衡にあることを直接観測した。一方でMetaII形成に伴って起こるプロトンの取り込みはGタンパク質（トランスデューシン）との相互作用には不要であることを示した。

mGluRの構成的活性変異（CAM）とGタンパク質活性化メカニズム

by Masataka Yanagawa

代謝型グルタミン酸受容体(mGluR)は、我々の脳神経系に広く発現し、記憶や学習、様々な感覚情報処理を司るGタンパク質共役型受容体(GPCR)である。また、mGluRは統合失調症をはじめとする精神疾患の治療薬の標的分子としても注目されている。

本研究では、ｍGluRについて200種を超える網羅的な変異体解析を行った結果、mGluRの活性制御に関わるアミノ酸残基を膜貫通領域に複数同定し、それらの中の一組の相互作用が受容体の活性・不活性状態のスイッチングに重要な役割を担っていることを突き止めた。このスイッチ領域に結合する薬剤が過去に報告されており、本研究によってそれらの薬剤が働く分子メカニズムの一端を明らかにすることができた。

作成中

ロドプシンの過渡的中間状態meta-IbのGタンパク質共役特異性

by Naoki Kimata

Gタンパク質と結合するロドプシン中間体はMIbとMIIの２種類が存在する。このうち、MIbはGタンパク質と結合するが活性化しないのに対し、MIIは活性化する。本研究では、C末端に各サブタイプの配列を持つGi変異体を用いて、MIbおよびMIIとの結合選択性を調べた。その結果、MIbとMIIで結合選択性が同じであり、MIbの段階でGタンパク質のサブタイプ認識が行われていることが明らかとなった。

ロドプシンの基本

ロドプシン・視覚・GPCRについてよく分からないという方はまずここを参考にしてください。

Mecha vision

視覚の分子機構

光情報変換メカニズム

光受容のメカニズムはいろいろな生物で調べられていますが、光を受容するメカニズムは基本的に一緒です。ここでは哺乳類の光受容を例に眼で光シグナルが電気シグナルに変わる過程を説明します。電気シグナルに変換された光情報は神経を伝わって脳でプロセスされます。

GPCR

GPCRの系統関係

ロドプシンは光受容に特化したGPCR

ロドプシンと他のGPCRの系統関係や種々のロドプシンの系統関係を説明します。