ヒトが青色を見る仕組み解明-霊長類青センサータンパク質の構造解析に成功

名古屋工業大学は、霊長類が青色を認識するタンパク質の構造情報を捉えることに成功したと発表した。

同研究は、名古屋工業大学大学院工学研究科生命・応用化学専攻およびオプトバイオテクノロジー研究センターの神取秀樹教授・センター長、片山耕大助教、卒業生の野中祐貴氏らと、京都大学霊長類研究所の今井啓雄准教授との共同研究によるもので、同研究成果は、「Scientific Reports」の7月7日号に掲載された。

ヒトが普段見ているすべての色は「光の三原色」と呼ばれる青・緑・赤の3種類の光の組み合わせのパターンによって作られている。これは眼の中に存在する色を感じる3種類の光センサータンパク質(色覚タンパク質)が働くことで達成されている。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しているが、試料調製が困難なこと、限られた試料に対する構造解析手法が存在しないこと、実験操作のすべてを暗室で行わないといけないことから構造研究はこれまで行われてこなかったという。

同研究チームは、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、霊長類赤・緑センサータンパク質の構造解析と、ヒト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、構造解析は不可能であると考えられていた。

同研究チームは、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、青センサータンパク質の構造解析を実現させた。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おり、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。

同研究により、青センサータンパク質が青を見るのに水分子が重要であることが判明した。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い、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ということだ。