名工大ら,霊長類の青センサータンパク質を構造解析

名古屋工業大学と京都大学は共同研究により,霊長類が青色を認識するタンパク質の構造情報を世界で初めて捉えることに成功した(ニュースリリース)。

私たちが普段見ているすべての色は,眼の中に存在する色(青・緑・赤)を感じる3種類の光センサータンパク質 (色覚タンパク質)によって達成されている。光センサータンパク質は11シス型レチナール(ビタミンA誘導体)という全く同一の分子を使って異なる色の光を吸収するが,1)試料調製が困難,2)限られた試料に対する構造解析手法が存在しない,3)実験操作のすべてを暗室で行なわないといけない,ことから構造研究は皆無だった。

研究グループは10年前に赤外分光法を用いたサル色覚視物質の構造研究を開始。哺乳類ガン細胞を用いたタンパク質の大量発現と高精度低温赤外分光法を組み合わせることで,2010年に世界で初めて霊長類赤・緑センサータンパク質の構造解析に成功し,2012年,2015年の論文により我々が赤と緑を見分ける分子機構の解明に成功した。

一方,青センサータンパク質は,過去の文献によれば,赤・緑センサータンパク質よりも一桁近く発現量が少ないことが知られており,研究グループの手法を持ってしても構造解析は不可能であると考えられていた。

今回,研究グループは,青センサータンパク質の構造解析に向けて,霊長類間での種の選択やタンパク質の可溶化・精製条件の再検討を行ない,赤外スペクトルを測定するのに十分量の精製試料を得ることに成功した。その結果,青センサータンパク質の構造解析が実現した。

得られた青センサータンパク質の赤外スペクトルは,レチナールの分子構造,タンパク質の骨格構造,そして内部結合水の振動モードが赤・緑センサータンパク質とは大きく異なっていた。特に疎水的な化学構造を有するレチナール分子の近傍(=水分子が存在しにくい)に複数の水分子が集合体(クラスター)を形成していることを示唆する特徴的な信号を得ることができた。

これらの結果から,水分子が有する極性がレチナールのポリエン鎖上のπ電子の局在化を引き起こすことで,青色の光を吸収するモデルを提唱することができた。

青センサータンパク質の構造解析を実現したことで,3種類(青・緑・赤)すべての構造情報が出揃ったわけであり,これらのデータを統一的に解析することで,色覚センサータンパク質のタンパク質環境が11シスレチナールという同一の分子を使ってどのように色識別を実現しているか,詳細なメカニズムを明らかにできると期待される。

また,光反応中間体の構造解析を進めることで,色を識別するセンサータンパク質の光活性化メカニズムに迫ることが期待できるとしている。

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