光で「開く」イオンチャネルが「閉じる」仕組みを解明~「開く」状態で強まる水素結合も捉え、開閉機構の理解へ~

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2026-06-01 北海道大学

北海道大学と名古屋工業大学の研究グループは、光によって開閉する膜タンパク質「アニオンチャネルロドプシン(GtACR1)」が閉じる際の分子機構を解明した。チャネルロドプシンは光刺激に応じてイオンの通路を開き、神経活動を光で制御するオプトジェネティクス技術の基盤として広く利用されているが、その開閉機構には未解明な点が多かった。研究では、時間分解吸収分光法、電気化学測定、低温フーリエ変換赤外分光法、変異体解析を組み合わせて解析を実施した。その結果、チャネル閉鎖に対応するM中間体形成時には、イオン透過経路に沿って複数のプロトン移動が連動して起こり、陰イオンが通過しにくい電気的状態が形成されることを発見した。また、チャネル開放に関与するL中間体では、水素結合ネットワークが強化されることも明らかになった。これらの成果は、チャネル開放と閉鎖が共通の分子ネットワークによって制御されている可能性を示しており、光駆動型イオンチャネルの作動原理の理解を大きく前進させるものである。将来的には、オプトジェネティクス用ツールの高機能化や人工光応答タンパク質の設計への応用が期待される。

光で「開く」イオンチャネルが「閉じる」仕組みを解明~「開く」状態で強まる水素結合も捉え、開閉機構の理解へ~

<関連情報>

Guillardia theta由来アニオンチャネルロドプシン1におけるプロトン共役型ゲート閉鎖機構 Proton-Coupled Gate Closing Mechanism in Guillardia theta Anion Channelrhodopsin 1

Miu Sudo, Sayo Inoko, Yuma Ito, Takuma Watanabe, Arisa Idenawa, Yuya Ohki, Keiko Ogawa, Makoto Demura, Hideki Kandori, Takashi Kikukawa, Yuji Furutani, Takashi Tsukamoto
Journal of Molecular Biology  Available online: 12 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.jmb.2026.169856

Highlights

  • Proton-coupled reactions are associated with gate closure in GtACR1.
  • Asp234 releases a proton during formation of the fast gate-closing M-intermediate.
  • Protonation states of key residues in the dark state are clarified in GtACR1.
  • Tyr207 and Cys237 modulate retinal Schiff base deprotonation.
  • Gate opening and closure are mechanistically interconnected.

Abstract

Light-gated anion channelrhodopsins are widely used as optogenetic silencers, yet the molecular events underlying gate opening and closing remain unclear. Here we show that gate closure in Guillardia theta anion channelrhodopsin 1 (GtACR1) is tightly coupled to coordinated proton-transfer reactions. Time-resolved spectroscopic and electrochemical analyses reveal that formation of the M-intermediate, which governs gate closure, involves not only deprotonation of the retinal Schiff base but also proton release from Asp234 to the extracellular side. We further demonstrate that residues Tyr207 and Cys237 participate in a hydrogen-bond network that modulates retinal Schiff base deprotonation, with Cys237 undergoing deprotonation during M-intermediate formation. In addition, analyses of the dark state provide new experimental evidence regarding the protonation states of functionally important residues in GtACR1, while characterization of the L-intermediate reveals hydrogen-bond rearrangements associated with channel activation. Together, these findings support a mechanistic model in which proton transfer reactions involving Asp234, Tyr207, and Cys237 coordinate retinal Schiff base deprotonation, thereby driving gate closure in GtACR1.

生物化学工学
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