アーキアロドプシン

アーキエロドプシンタンパク質は、古細菌属のハロバクテリウムおよびハロルブルムに見られるレチナール含有光受容体のファミリーです。相同なバクテリオロドプシン (bR) タンパク質と同様に、アーキエロドプシンは太陽光からエネルギーを集めて H ⁺イオンを細胞外に排出し、 ATP合成に使用されるプロトン駆動力を確立します。哺乳類のG タンパク質共役受容体タンパク質であるロドプシンと構造的に類似していますが、真の相同体ではありません。

アーキアロドプシンは、それが発現されるクラレット膜に、光退色を防ぐと考えられている第2の発色団であるバクテリオルベリンが含まれている点でbRと異なります。また、bRには、いくつかのアーキアロドプシンの構造のN末端に見られる オメガループ構造がありません。

アーキエロドプシン3（AR3）の変異体は、神経科学研究のための光遺伝学のツールとして使用されています。^[1]

アーキアロドプシンという用語は、古細菌（タンパク質が存在する領域）とロドプシン（哺乳類の目の視覚を担う光受容体）を組み合わせた造語である。^[3]

archaeaは古代ギリシャ語のἀρχαῖα ( arkhaîa 、「古代」)に由来し、ἀρχαῖος ( arkhaîos、「古代」)の複数形であり中性形である。 ^[4]

ロドプシンは、ピンク色であることから古代ギリシャ語のῥόδον ( rhódon , 「バラ」) とὄψις ( ópsis , 「視力」) に由来する。^[5]

1960 年代に、光駆動型プロトンポンプがHalobacterium salinarumで発見され、バクテリオロドプシンと呼ばれました。その後数年間、これらの光駆動型プロトンポンプのメカニズムを解明するために、 H. salinarumの膜に関するさまざまな研究が行われました。

1988年、大阪大学の吉田学らの研究グループは、ハロバクテリウム属菌株から新しい光感受性プロトンポンプを発見し、アーキアロドプシンと名付けた^[3]。1年後、同じ研究グループはアーキアロドプシンをコードする遺伝子を単離したと報告した^{[6] 。 [7]}

これまでに、アーキアロドプシンファミリーの 7 つのメンバーが特定されています。

アーキエロドプシン1と2（AR1とAR2）は最初に同定されたアーキエロドプシンであり、それぞれハロバクテリウム属Aus-1とAus-2によって発現される。両種は1980年代後半に西オーストラリアで初めて単離された。 ^{[3] [8] [6]}両タンパク質の結晶構造は、名古屋大学の伊原邦雄、神山勉らと、 Spring-8シンクロトロンの協力者によって解明された。^[14]

AR3はHalorubrum sodomenseによって発現される。^{[9]この生物は1980年に}死海で初めて特定され、成長には関連する好塩菌よりも高い濃度のMg ²⁺イオンを必要とする。^[15] aop3遺伝子は1999年に名古屋大学の伊原らによってクローン化され、そのタンパク質はバクテリオロドプシンと59%の配列同一性を持つことが判明した。^[9] AR3の結晶構造はオックスフォード大学のアンソニー・ワッツと国立物理学研究所のイザベル・モラエスがダイヤモンド・ライト・ソースの協力者と共同で解明した。^[16]

アーキエロドプシン3（AR3）の変異体は、神経科学研究のための光遺伝学のツールとして広く使用されています。^[1]

AR3は最近蛍光電圧センサーとして導入されました。^[17]

AR4は、ハロバクテリウム属のxz 515種で発現している。この生物は、チベットの塩湖で初めて特定された。^{[10] [18]}この生物をコードする遺伝子は、2000年にH. Wangらによって特定された。^[19]ほとんどのバクテリオロドプシンホモログでは、細胞外培地へのH ^+の放出は、膜の細胞質側から交換イオンが取り込まれる前に起こる。この生物の本来の生息地に見られる酸性条件下では、AR4光サイクルのこれらの段階の順序は逆になる。^[20]

AR-BD1（HxARとしても知られる）はHalorubrum xinjiangenseによって発現される。^[11]この生物は中国新疆ウイグル自治区の小二勒湖で初めて単離された。 ^[21]

HeARはHalorubrum ejinorenseによって発現される。^{[12]この生物は}中国の内モンゴルにあるエジノル湖で初めて単離された。^[22]

AR-TP009はHalorubrum sp. TP009によって発現され、その神経サイレンサーとしての能力はマウス皮質錐体ニューロンで研究されている。^[13]

微生物ロドプシンファミリーの他のメンバーと同様に、アーキエロドプシンは、一般にクラレット膜と呼ばれる細胞表面膜の特殊なタンパク質に富む領域で発現しています。エーテル脂質に加えて、クラレット膜にはバクテリオルベリン（炭素数50のカロテノイド色素）が含まれており、光退色を防ぐと考えられています。いくつかのアーキエロドプシンのクラレット膜の原子間力顕微鏡画像では、タンパク質が三量体であり、六角形の格子に配置されていることがわかります。^[23]バクテリオルベリンはオリゴマー化にも関与しており、天然膜でのタンパク質間相互作用を促進する可能性があります。^{[24] [25]}

アーキアロドプシンは能動輸送体であり、太陽光のエネルギーを利用してH ⁺イオンを細胞外に汲み出し、 ATP合成に必要なプロトン駆動力を生成する。網膜補因子を除去すると（例えばヒドロキシルアミン処理などにより）、輸送体の機能が失われ、タンパク質の吸収スペクトルが劇的に変化する。AR3のプロトンポンプ能力は組換え大腸菌細胞で実証されており^[26]、AR4のプロトンポンプ能力はリポソームで実証されている。^[20]

アーキアロドプシンの静止状態または基底状態では、結合したレチナールは全トランス型であるが、光子を吸収すると13-シス型に異性化する。発色団を囲むタンパク質は形状の変化に反応し、光サイクルとして総称される一連の構造変化を起こす。これらの変化はタンパク質内の滴定可能なアミノ酸側鎖を取り囲む局所環境の極性を変化させ、H ^{+ を}細胞質から膜の細胞外側に汲み出すことを可能にする。光サイクルの中間状態は、吸収極大によって識別できる。^{[20] [27]}

AR1（3.4 Å 解像度）、AR2（1.8 Å 解像度）、AR3（1.07 Å と 1.3 Å）の静止状態または基底状態の結晶構造は、タンパク質データバンクに登録されています。^{[14] [28] [16]}タンパク質は 7 つの膜貫通α ヘリックスと 2 本鎖の細胞外に面したβ シートを持っています。レチナールは、シッフ塩基を介してヘリックス G 上のリジン残基に共有結合しています。 ^{[14] [16] [注 1]両タンパク質の細胞外に面した}N 末端に近い保存された DLLxDGR 配列は、バクテリオルベリンの結合に関与していると考えられる、しっかりと湾曲したオメガループを形成します。^[24]最初の6つのアミノ酸の切断とGln7のピログルタミン酸（PCA）残基への変換は、バクテリオロドプシンで以前に報告されたように、AR3でも観察された。^[16]

アーキエロドプシンは光の存在下でプロトンを分泌することで細胞膜の過分極を促進し、それによってニューロンの活動電位の発火を抑制します。^[29]このプロセスは細胞外H+の増加（すなわち、これらのタンパク質の活性に関連するpHの低下）に関連しています。これらの特性により、アーキエロドプシンは光の存在下で伝達阻害因子として機能するため、光遺伝学的研究で一般的に使用されるツールとなっています。 ^[30]細胞内膜内で発現すると、プロトンポンプ活性によって細胞質pHが上昇し、この機能はこれらの細胞小器官を標的とした場合、リソソームやシナプス小胞の光遺伝学的酸性化に使用できます。^[31]