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～（先端生命科学研究院助教　塚本卓）

2026年6月1日
北海道大学
名古屋工業大学

発表のポイント

●光で開くアニオンチャネルロドプシンが「閉じる」ときに起こる分子内化学反応を解明。
●連動したプロトン移動により、陰イオンが通りにくい電気的状態が生じることを発見。
●「開く」状態で水素結合ネットワークが強まることを捉え、開閉機構の全容解明に期待。

発表概要

北海道大学大学院先端生命科学研究院の塚本　卓助教、名古屋工業大学生命・応用化学類の古谷祐詞准教授らの研究グループは、光で開くイオンチャネルがどのような分子内化学反応によって「閉じる」のかを明らかにしました。チャネルロドプシンは、光を受けるとイオンの通り道を開き、細胞膜を横切ってイオンを輸送する膜タンパク質です。神経活動を光で操作するオプトジェネティクスにも用いられていますが、イオンの通り道がどのような分子内化学反応によって開き、また閉じるのかには、未解明な点が多く残されていました。研究グループは、塩化物イオンなどの陰イオンを通すアニオンチャネルロドプシンであるGuillardia theta anion channelrhodopsin 1（GtACR1）を対象に、時間分解吸収分光測定、ITO（酸化インジウムスズ）電極を用いた電気化学的測定、低温フーリエ変換赤外分光測定、変異体解析を組み合わせました。その結果、ゲート閉鎖に対応するM中間体の形成時に、イオン透過経路に沿って複数のプロトン移動反応が連動して起こり、陰イオンが通りにくい電気的状態が生じることが分かりました。さらに、ゲート開放に関わるL中間体では、イオン透過経路周辺の水素結合ネットワークが強まることを示しました。ゲート開放は、陰イオンが実際に流れるために不可欠な過程であり、GtACR1のイオン輸送機能そのものに直結します。今回の成果は、ゲート開放とゲート閉鎖が共通の分子ネットワークを介して連動している可能性を示すものです。本成果は、光駆動型イオンチャネルの作動原理を、タンパク質内部で連動するプロトン移動反応と水素結合ネットワークの変化に基づいて説明するものです。微生物ロドプシンの分子機構の理解を深めるとともに、機能改変やオプトジェネティクスツール設計につながる基盤的知見となることが期待されます。
なお、本研究成果は、2026年5月12日（火）公開の Journal of Molecular Biology誌にオンライン掲載されました。
論文名：Proton-Coupled Gate Closing Mechanism inGuillardia theta Anion Channelrhodopsin 1（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）
URL：https://doi.org/10.1016/j.jmb.2026.169856
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GtACR1のゲート開放・閉鎖モデル図。光を受けたGtACR1では、ゲート開放に関わるL中間体で水素結合ネットワークが強まる。続くM中間体では、複数のプロトン移動反応が連動して起こり、イオン透過経路に陰イオンが通りにくい電気的状態が生じる。この変化が、ゲート閉鎖につながると考えられる。