深海に潜るクジラの視覚は薄暗さにだけでなく水圧にも耐えている~強い水圧下における視物質ロドプシンの構造安定化に関わる適応進化を解明~

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2026-05-20 北海道大学

北海道大学のこの研究は、深海に潜るクジラ類の「視覚」が、暗い環境だけでなく超高水圧にも適応進化していることを示した研究です。マッコウクジラやアカボウクジラ類のロドプシン遺伝子を51種で比較解析した結果、深海潜水性系統では、タンパク質の圧縮性に関与するアミノ酸置換が選択されていることを発見しました。さらに分子動力学シミュレーションにより、ロドプシン299位がアラニン型の方が、高圧下でも構造揺らぎが小さく安定であることを確認しました。これにより、深海クジラの視覚系は「低光量への感度向上」だけでなく、「高圧でも機能を維持する耐圧性」へも適応してきたことが示されました。深海生物の分子進化やタンパク質耐圧機構の理解に新たな知見を与える成果です。

深海に潜るクジラの視覚は薄暗さにだけでなく水圧にも耐えている~強い水圧下における視物質ロドプシンの構造安定化に関わる適応進化を解明~
深海潜水性クジラ類(左)。視物質ロドプシンの立体構造と深海の高静水圧に適したアミノ酸(アラニンとセリン)(右)。

<関連情報>

深海性クジラ類のロドプシンにおける耐圧性の進化 Pressure-tolerant Evolution in Rhodopsin of Deep-diving Whales

Hayate Takeuchi ,Takashi Hayakawa
Genome Biology and Evolution  Published:16 March 2026
DOI:https://doi.org/10.1093/gbe/evag068

Abstract

Life in the deep sea presents extreme challenges to protein structure and function, with hydrostatic pressure serving as a significant source of molecular stress. Although cetacean rhodopsins have been thoroughly examined concerning their spectral tuning to the underwater light environment, their possible adaptations to pressure have yet to be explored. In this study, we investigated whether rhodopsin has undergone structural modifications that facilitate visual function during deep dives. Using a physicochemical property-based codon substitution model, we found that amino acid replacements associated with a radical shift in amino acid compressibility preferentially accumulated in deep-diving cetaceans belonging to the superfamily Physeteroidea and the family Ziphiidae. Molecular dynamics simulations further revealed that alanine at residue 2997.46a confers enhanced pressure tolerance of rhodopsin relative to serine, as evidenced by lower isothermal compressibility, diminished flexibility, and reduced free-energy costs under high pressure. These findings identify residue 2997.46a as a recurrent target for pressure adaptation in deep-diving cetaceans. More broadly, our study offers a novel perspective on cetacean visual adaptation, demonstrating that rhodopsins have evolved not only for spectral sensitivity but also for structural resilience under extreme hydrostatic pressure. This integrative framework, which combines evolutionary modeling with molecular dynamics simulations, advances our understanding of protein adaptation in the deep-sea environment.

細胞遺伝子工学
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