色の弁別 に関与する視細胞 に
含 まれる 光受容蛋 白質
七 田 芳 則 ＊1 吉 澤 透 ＊2 我 々 の 日常 の視 覚 は,色 の 弁 別 に 関 与 す る錐 体視 細胞 に よ っ て支 え られ て い るが,色 の 弁 別 の 分 子機 構 の 研 究 は, そ の機 能 性蛋 白質 の単 離 が 難 しか った た め,ほ とん ど行 な われ て い なか った.し か し,最 近 の 分 子 生 物 学 的,生 化学 的 手段 の 進歩 に よ り,そ の 研 究 が ま さに 始 ま ろ うと して い る.本 稿 で は 錐 体 に 含 ま れ る 光 受 容 蛋 白 質 の 研 究 を 紹 介 し,分 子下 の レベル で行 な われ て い る光 情 報 の 精緻 な 受 容 ・伝 達 の メ カニ ズ ム に つ い て 概 説 す る. 通 常 の 明 る さの も とで は,我 々は 物 の 色 や 動 き,形 を識 別 す る ことが で き る.と ころ が,夕 方 に な りあた りが 薄 暗 くな る と,物 の 存 在 は わ か っ て も,そ の 色 は もち ろ ん形 や 動 き も識 別 す る こ と が で き な く な る.こ の よ うに 我 々 の視 覚 が 変 化 す るの は,眼 の 網膜 に2種 類 の視 細 胞 が あ り,周 囲 の 明 る さに よっ て 働 く 視 細 胞 が 違 うか らで あ る. 明 る い光 環 境 の もとで 働 く視 細 胞 は,そ の細 胞 の 外節 と呼 ばれ る部 分 の 形 が 円錐 形 を して い る こ とか ら,錐 体 と呼 ばれ て い る.一 方,薄 暗 い光 環 境 の も とで 働 く視 細 胞 は,円 柱 状(桿 状)の 外 節 を 持 っ てお り,桿 体 と呼 ばれ て い る.そ れ ぞ れ の 視 細 胞 に光 を あ て て電 気 応 答 を記 録 す る と,そ れ ぞれ の細 胞 が 上 記 の 我 々の 経 験 か ら推 定 され る性 質 を示 す こ とが わ か る.す な わ ち,錐 体 は桿 体 よ りも光 受容 後 す ばや く応 答 し,ま た そ の応 答 が 速 く止 ま る.ま た,錐 体 は 桿 体 に比 べ て 周 囲 の光 環 境 に 応 じて す ば や く順 応 す る.さ らに,網 膜 に は 数 種 類 の 異 な った波 長 感 度 を 持 つ 錐 体 が あ り(ヒ トで は 赤,緑,青 に 感 度 を持 つ3種 類),外 界 か ら 入 っ て きた 光 は そ の 色 に 応 じて これ らの錐 体 に違 った 割 合 で受 容 され,光 の 色 が 識 別 され る.一 方,錐 体 を 応 答 させ るに は桿 体 よ り も10∼100倍 強 い光 で 刺激 しな けれ ば な らな い.以 上 の よ う に,錐 体 と桿 体 は,そ れ ぞ れ が 働 く光 環 境 に 高度 に 適 応 して い る. さ て,視 細 胞 は光 を 受容 す る と どの よ うな分 子 メ カ ニ ズ ムで 応 答 す る(受 容器 電位 を発 生 す る) の で あ ろ うか.詳 細 な記 述 は 他 の 総 説 な ど(1)に譲 る と して,桿 体 につ いて は,こ の 光 情 報 の 変 換 シ ス テ ム の概 要 が,種 々の 蛋 白 質 か らな る酵 素 カス ケ ー ドシス テ ム と して記 述 で き る よ うにな っ て き た.す な わ ち,光 情 報 の 受 容 分 子 で あ る 巨 ドプ シ ン,伝 達 分 子 で あ る トラ ンス デ ュ ー シ ン(GTP 結 合 蛋 白質),変 換 分 子 で あ るcGMP分 解酵 素, そ して受 容 器 電 位 発 生 に か か わ る カチ オ ンチ ャ ン ネ ルが 一 連 の カ ス ケ ー ドシス テ ムを構 成 し,光 情 報 の 効 率 的 な受 容 ・増 幅 を 行 な って い るの で あ る. 一 方 ,錐 体 の光情報変換 システムの研究は,実 験 材料 の 調 製 が 非常 に 困難 で あ った こ とか ら,ほ と ん ど行 な わ れ て い な か った.し か し,最 近 の分 子 生 物 学,生 化 学 の 進歩 に よ り,錐 体 に も桿 体 と 同様 の 蛋 白質 群 が 存 在 し てい る こ とが 明 らか に な っ て きた.し た が っ て,上 に 述 べ た錐 体 と桿 体 の 応 答 の違 い は,そ れ ぞれ の 蛋 白 質 群 の 性 質 の違 い に よ る と考 え られ て い る.も ち ろ ん,現 在 発 見 さ れ て い な い蛋 白 質が 両 者 の違 いを 決 定 して い るの か も しれ な い. と もか く,同 じ よ うな蛋 白 質群 の性 質 の違 い に よっ て,な ぜ これ ほ ど まで に 細胞 の 応 答 性 が違 っ て くるの だ ろ うか.こ の 疑 問 に 答 え るに は,そ れ ぞれ の蛋 白質 の構 造 や ダ イナ ミ ック な性 質,さ ら に蛋 白質 間 の相 互 作 用 の 仕 方 を 明 らか に しな け れ ば な らな い.本 稿 では,最 近 筆 者 らの 研 究 室 で行 な って い る錐 体 の光 受 容 蛋 白質 に関 す る研 究 を 紹Visual Pigments in Photoreceptor Cells of Color Vision *1Yoshinori SHICHIDA, *2Toru YOSHIZAWA, *1京 都 大 学 理 学 部 生 物 物 理 学 教 室,*2電 気 通 信 大 学 電 子 物 性 工 学 科
介 し,錐 体 と桿 体 の 波 長 感 度 の違 いや 応 答 の違 い が,光 受 容 蛋 白質 レベ ル で ど こ まで わ か って きた か を 紹 介 す る. 錐 体光 受 容 蛋 白 質 の 一 次 構 造 す で に述 べ た よ うに,網 膜 に は波 長 感 度 の異 な る 数種 類 の錐 体 が 存 在 す る.視 細 胞 の 波 長 感 度 は,そ れ に含 まれ る光 受 容蛋 白 質 の 吸 収 曲線 に よ っ て決 ま る.し た が って,そ れ ぞれ の錐 体 に は, 吸 収 曲線 の 異 な る光 受 容蛋 白質 が 存 在 す る はず で あ る. 錐 体 か ら光 受 容 蛋 白質 を分 離 す る試 み は,1930 年 代 にWaldら に よ って始 め られ,ま ず ニ ワ トリ の 赤 感 受 性 錐 体 に存 在 す る光 受 容 蛋 白質(ニ ワ ト リRed,ア イ オ ドプ シ ン と も呼 ばれ て い る)が 分 離 され た(2).そ の後,1970年 代 に 入 って,Fager らに よ って,そ れ 以 外 に3種 類 の 光 受容 蛋 白質 (緑,青,紫 の 波 長 領 域 に 吸 収極 大 を もつ 光 受 容
蛋 白 質.そ れ ぞ れ ニ ワ トリGreen, Blue, Violet
と呼 ば れ て い る)が 分 離 され た(3).し か し,ア イ オ ドプ シ ンを 除 い て は,蛋 白 化学 的,分 光 学 的 研 究 を行 な うほ ど十分 な量 が 得 られ な か った の で, 図1■ ヒ トと ニ ワ トリの 網 膜 に あ る錐 体光 受容 蛋 白質 の 吸 収 曲 線 こ れ ら3種 類 の 蛋 白 質 の 存 在 は 疑 問 視 され て い た.筆 者 ら は,こ れ ら の 光 受 容 蛋 白 質 を 分 離 す る こ と を 試 み,抽 出 す る 界 面 活 性 剤 の 種 類 や カ ラ ム 操 作 に 改 良 を 加 え た 結 果,1989年 に4種 類 の 錐 体 光 受 容 蛋 白 質 を 分 離 す る こ と に 成 功 した(4).図1 に は 錐 体 の 光 受 容 蛋 白 質 の 吸 収 曲 線 が 示 さ れ て い る. さ て,ヒ トに は3種 類 の 錐 体 光 受 容 蛋 白 質 が 存 在 す る が(図1参 照),ニ ワ ト リ に は4種 類 存 在 す る.両 者 の 光 受 容 蛋 白 質 の 吸 収 曲 線 を 比 べ る と,ヒ トRedの 吸 収 極 大 は ニ ワ ト リRedと か な り よ く似 て い る.ま た,ヒ トBlueは ニ ワ ト リ Violetと ほ ぼ 同 じ吸 収 極 大 を も っ て い る.と こ ろ が,ニ ワ ト リGreenと ニ ワ ト リBlueに 対 応 す る よ うな 光 受 容 蛋 白 質 は ヒ トに は 含 ま れ て い な い.ま た,ヒ トGreenに 対 応 す る光 受 容 蛋 白 質 は ニ ワ ト リに は な い.こ の よ うに,錐 体 光 受 容 蛋 白 質 は ヒ トと ニ ワ ト リで か な り違 っ て い る こ と が わ か る. 1980年 代 に 入 っ て,ゲ ノ ムDNAク ロ ー ニ ン グ あ る い はcDNAク ロ ー ニ ン グの 技 術 が 非 常 に 進 歩 した 結 果,ヒ トの3種 類 の 錐 体 光 受 容 蛋 白 質 の ア ミ ノ 酸 配 列 が 決 定 され た(5).そ の 結 果,ヒ ト Redと ヒ トGreenは そ れ らの ア ミ ノ 酸 配 列 の 一 致 が96%で あ り,こ れ ら2つ は 同 じ グ ル ー プ に 属 す る 蛋 白 質 で あ る こ と が わ か っ た.と こ ろ が, ヒ トBlueの ア ミ ノ酸 配 列 はRedとGreenに 比 べ て,約40%の 一 致 し か 示 さ な か っ た の で,別 の グ ル ー プ に 属 す る こ とが わ か っ た.ま た,こ れ ら と桿 体 光 受 容 蛋 白 質 で あ る ロ ドプ シ ン と の ア ミ ノ 酸 配 列 の 一 致 は,そ れ ぞ れ 約45%で あ っ た. 以 上 の こ と か ら,ヒ トの3種 類 の 錐 体 光 受 容 蛋 白 質 は2種 類 の グ ル ー プ に 分 類 さ れ,ま た ロ ドプ シ ン を 含 め る と ヒ トの 光 受 容 蛋 白 質 は3種 類 の グ ル ー プ に 分 類 さ れ る こ と が わ か っ た . す で に 述 べ た よ うに,ニ ワ ト リの 錐 体 光 受 容 蛋 白 質 は ヒ ト と違 っ て い る の で,こ れ ら が ど の よ う に 分 類 され る か は 非 常 に 興 味 深 い.そ こ で 筆 者 ら は,ニ ワ ト リの 錐 体 光 受 容 蛋 白 質 の 一 次 構 造 を cDNAク ロ ー ニ ン グ の 技 術 を 使 っ て 決 定 し た(6,7).そ の 結 果,ヒ ト と ニ ワ ト リの 間 で,吸 収 曲
図2■ 脊 椎 動 物 の 光 受 容 蛋 白 質 の 分 子 系 統 樹 分 子 系 統 樹 を 作成 す る た め に,ま ず そ れ ぞ れ の光 受 容 蛋 白 質 の ア ミノ酸 配 列 の 相 違 度(K)を も とに,多 重 置 換(あ る位 置 の ア ミノ酸 残 基 が 進 化 の 過 程 で2回 以上 別 の残 基 に変 化 す る こ と)を 考 慮 した 相 違 度(-ln(1-K))を 計 算 した.そ の後,近 隣 結 合 法(7,8)を 用 い て 作 成 した.最 も古 い と考 え られ る分 岐 点(A)は,無 脊 椎 動 物 の光 受容 蛋 白質 を含 む 分 子 系 統 樹 に 基 づ い て 決 定 され た.縦 方 向 の 線 の 長 さに は 意 味 は ない.横 方 向 の線 の長 さ(お よび そ の上 の数 字)は,多 重 置 換 を 考 慮 した 相違 度 を示 してい る. 図 か らわ か る よ うに,光 受容 蛋 白質 は 最 初 に4つ の グル ー プに 分 岐 した.1つ の グ ル ー プ に属 す る 光 受 容 蛋 白質 の吸 収 極 大 は非 常 に 似 通 って い る.そ こ で,含 ま れ る 光 受 容蛋 白質 の吸 収 極 大 の波 長 域 に 基 づ い て,そ れ ぞ れ の グ ル ー プ をL(long wavelength),S
(short wavelength), M1(middle wavelength 1), M2(middle wavelength 2)グ ル ー プ と名 づ け た.右 肩 に ＊印 を つ け た 光 受 容 蛋 白 質 の ア ミノ酸配 列 は,最 近 筆 者 らに よ っ て決 定 され た(6,7,14). 線 の 比 較 か ら考 え られ た そ れ ぞ れ の 光 受 容 蛋 白 質 の 類 似 性 が,ア ミ ノ 酸 配 列 の 比 較 か ら は っ き り と 示 さ れ た.す な わ ち,ヒ トRedと ニ ワ ト リRed の ア ミノ 酸 配 列 の 一 致 は 約80%で,両 者 が 同 じ グ ル ー プ に 属 して い る こ と,ま た ヒ トBlueと ニ ワ ト リVioletに っ い て も 同 様 で あ る こ と が わ か っ た.一 方,ニ ワ ト リBlueは 他 の 錐 体 光 受 容 蛋 白 質 や ロ ドプ シ ン と は 保 存 され て い る ア ミノ 酸 配 列 の 割 合 は 低 く,新 し い グ ル ー プ に 属 す る こ と が わ か っ た.さ らに 興 味 深 い の は,ニ ワ ト リGreen が 他 の 錐 体 光 受 容 蛋 白 質 と は 同 じ グ ル ー プ に 属 さ ず,ロ ドプ シ ン と 同 じ グ ル ー プ に 属 す る こ と で あ っ た. そ こ で 筆 者 らは,光 受 容 蛋 白 質 の 起 源 と 進 化 の 順 序 を 推 定 す る た め に,ア ミノ 酸 配 列 の 相 違 度 に 基 づ い た 近 隣 結 合 法(Neighbour-Joining method)(8,9)を 用 い て,脊 椎 動 物 の 光 受 容 蛋 白 質 の系 統 樹 を 作 っ てみ た(図2)(7).こ の 図 か らわ か る よ うに,脊 椎 動 物 の先 祖 型 の光 受 容 蛋 白質 は ま ず4つ の錐 体 光 受 容 蛋 白質 の グル ー プ に分 か れ, そ の 一 つ の グル ー プ の中 か ら ロ ドプ シ ンが 分 岐 し た こ とが わ か る.つ ま り,動 物 の 薄 明 視 に 関 与 す る光 受 容蛋 白 質(ロ ドプ シ ン)は,分 子 進 化 の過 程 で は ご く最 近分 岐 した ことを 示 して い る.言 葉 を換 えれ ば,動 物 は まず 色 弁 別 能(色 覚)を 獲 得 し,そ の後,薄 明視 を 獲 得 した とい うこ とが で き る. 光 受容 蛋 白質 の吸 収 極 大 の 分 布 さ て,我 々が 色 を 完 全 に識 別 す る に は,波 長 感 度(吸 収 極 大)の 異 な る光 受 容 蛋 白質 が 最 低3種 類 必 要 で あ る.す で に述 べた ヒ トや ニ ワ ト リの 光 受 容 蛋 白質 は,す べ て発 色 団 と して11-シ ス レチ ナ ー ルを も っ てい る.し たが つて,光 受 容 蛋 白質 353
図3■ ア イ オ ドプ シ ン お よ び ウ シ ロ ドプ シ ン の ア ミ ノ 酸 配 列 お よ び 発 色 団 と 蛋 白 質 の 結 合 状 態 の 模 式 図 (a)ア イ オ ドプ シ ンお よび ウ シ ロ ドプ シ ン の ア ミノ酸 配 列.そ れ ぞ れ の 小 円 を 区 切 った 上 が アイ オ ドプ シ ン,下 が ロ ドプ シ ンの ア ミノ酸 配 列 を 表 わ して い る.ま た 区切 っ て い ない 小 円 は,両 者 が 共 通 の ア ミノ酸 配 列 を もつ こ と,網 が け の 半 円 は ア ミノ酸 残 基 が 欠 落 して い る こ とを 示 して い る.図 中 の番 号 は ロ ドプ シ ンに お け るN末 端 か らの 順 番 で あ る.な お,図 中 の 黒 く塗 りつ ぶ した ア ミノ酸 残 基 は(c)に 示 した ア ミノ酸 残 基 で あ る. (b) 11-シ ス レチ ナ ー ル の構 造 (c) 発 色 団 と蛋 白質 の結 合 状 態.発 色 団11-シ ス レチ ナ ール は リジ ン296残 基 と プ ロ トン化 した シ ッ フ塩 基 結 合 を して い る.ま た, グ ル タ ミン酸113残 基 の カル ボ キ シル 基 が シ ッ フ塩 基 の 対 イオ ン と して 働 い て い る.ま た,レ チ ナ ー ル の β-イ オ ノ ン環 付 近 は ヘ リ ッ クスIVの 疎 水 性 ア ミノ酸 残 基 と疎 水 結 合 を して 固 定 され て い る.さ らに,発 色 団 の9の 位 置 の メ チ ル基 と蛋 白質 との 間に 相 互 作 用 が あ る. の 吸 収 極 大 が 違 うの は,そ れ ぞ れ の 蛋 白 質 が 発 色 団 と 異 な っ た 相 互 作 用 を し て い る か ら で あ る. 発 色 団 と蛋 白 質 部 分 の 基 本 的 な 結 合 の 仕 方 は, ウ シ ロ ドプ シ ン を 試 料 と し た 詳 細 な 研 究 に よ っ て,か な り明 ら か に な っ て きた(図3)(10).ま ず, 発 色 団 レ チ ナ ー ル は 蛋 白 質 の 第VIIα-ヘ リ ッ ク ス に あ る リジ ン残 基 と プ ロ トン 化 シ ッ フ塩 基 を 作 っ て い る.こ の プ ロ ト ン化 シ ッ フ塩 基 は,第IIIα-ヘ リ ッ ク ス に 存 在 す る グ ル タ ミ ン 酸 残 基(対 イ オ ン)と 相 互 作 用 を し て い る.ま た,レ チ ナ ー ル の β-イ オ ノ ン 環 は,蛋 白 質 の 第IVあ る い は 第Vα-ヘ リ ッ ク ス の 疎 水 性 ア ミ ノ 酸 残 基 と 疎 水 結 合 を し て い る.さ ら に,発 色 団 の9の 位 置 の メ チ ル 基 と そ の ま わ りの ア ミノ 酸 残 基(お そ ら く ト リ プ トフ
図4■ 光 受 容蛋 白質 の吸 収 極 大 の 移 動 に 関 与 す る ア ミノ酸 残 基 図 中の矢印はその下に示 したア ミノ酸残基が存 在す るこ とによって,吸 収極大が移動 した ことを示 している.ア ミノ酸残 基の推定に ついては本文を参照. ァ ン残 基)と の 間 に 相 互 作 用 が あ る.そ れ ぞれ の 光 受容 蛋 白質 の 吸 収 極 大 は,発 色 団 が蛋 白 質 と上 記 の よ うに結 合 し,さ らに そ れ ぞれ の蛋 白質 に特 異 的 な ア ミノ酸 残 基 と相 互 作 用 を す る こ とに よっ て 決 ま る.ブ チ ル ア ミンな どの ア ミン と レチ ナ ー ル か ら合 成 した プ ロ トン化 シ ップ塩 基 の 吸収 極 大 は440nm付 近 に あ る.し た が って,ヒ トBlue や ニ ワ ト リViolet以 外 で は,発 色 団 とまわ りの ア ミノ酸 残基 との 相 互 作用 は,吸 収 極 大 を 長 波 長 に移 動 させ る ことに な る.種 々 の モ デル 実 験 が 行 なわ れ た 結 果,吸 収 極 大 を 移 動 させ る 原 因 と して 以 下 の2つ の 可 能 性 が 示 され て きた(11). (1)プ ロ トン化 シ ッ フ塩 基 と対 イ オ ンと の距 離 が 離 れ れ ば 吸 収 極 大 は 長波 長 移 動 し,近 づ け ば短 波 長 移 動 す る. (2)発 色 団 の ま わ りに極 性 あ る い は分 極 率 の 高 い 分 子 が 存 在 す る と吸収 極 大 が 移 動 す る. 上 記2つ の他 に,た とえ ば ロ ドプ シ ン中 で は 対 イ オ ンの他 に も う一 つの イ オ ン(解 離 した グル タ ミン酸 残 基 な ど)が 存 在 し,そ の 位 置 に よ って 吸 収 の 長波 長 移 動 が 起 こる と い う考 え 方(点 電 荷 モ デ ル)も 出 され た(12).し か し,最 近 ウ シ ロ ドプ シ ンの 部位 特 異 的変 異 誘 導(site-directed mutage-nesis)の 実 験 が行 な われ た 結 果,イ オ ンに な る可 能 性 の あ るす べ ての 解 離 性 ア ミノ酸 残 基 を な くし て も,ロ ドプ シ ンの 吸 収 極 大 は ほ とん ど変 化 しな い こ とが 示 され(13,14),この考 え方 は疑 問 視 され て い る.し た が って,上 記2つ の 可 能 性 に 基 づ い て,種 々の 光 受 容蛋 白 質 の 吸 収極 大 の波 長 は説 明 され なけ れ ば な らな い. 最 近 筆 者 らは,吸 収 極 大 が か な り異 な る6種 類 の 錐 体 光 受 容 蛋 白質 の ア ミ ノ 酸 配 列 を 決 定 し た(7,15).そこで,上 記(2)の可 能 性 に 基 づ い て,吸 収 極 大 の 長 波 長 移 動 に 関 係 の あ りそ うな ア ミノ酸 残 基 を 推 定 す る こ とを試 み た.も ち ろ ん,(2)の 可 能 性 だ け で は候 補 とな る ア ミノ酸 残 基 は多 す ぎる の で,筆 者 らは 以下 の ことを 仮 定 して候 補 ア ミノ 酸 残 基 の 数 を減 らした(図4). (a) 発 色 団 は蛋 白質 の α-ヘ リッ クス 部 分 に 埋 め込 まれ て存 在 す る の で,発 色 団 と相 互 作 用 す る ア ミノ酸 残 基 は α-ヘ リッ クス 中 に存 在 す る. (b) 候 補 ア ミノ酸 残 基 は,部 位 特 異 的 変 異 誘 導 に よる結 果 と矛 盾 しな い. (c) 任 意 の2つ の光 受 容 蛋 白質 の ア ミノ酸 配 列 を比 較 して,吸 収 極 大 を 長 波 長 に もつ 光 受 容 蛋 白 質 だ けが あ る位 置 で極 性 あ るい は 分 極 率 の 高 い ア 355
ミノ 酸 残 基 を も つ 場 合,そ の 残 基 が 吸 収 極 大 の 長 波 長 移 動 に 関 係 す る. ま ず,こ れ ま で に ア ミノ 酸 配 列 が わ か っ た す べ て の 光 受 容 蛋 白 質 は,11-シ ス レ チ ナ ー ル と シ ッ フ 塩 基 を 形 成 す る リジ ン 残 基 と,対 イ オ ン に な る グ ル タ ミ ン酸 残 基 を も っ て い る.し た が っ て,す べ て の 光 受 容 蛋 白 質 は 発 色 団 と し て プ ロ トン 化 し た シ ッ フ塩 基 を も っ て い る と考 え ら れ る.次 に プ ロ ト ン 化 シ ッ フ 塩 基 よ り も 短 波 長 に 吸 収 極 大 を も つ 光 受 容 蛋 白 質 を 除 い て,す べ て の 光 受 容 蛋 白 質 は ト リ プ ト フ ァ ン265残 基 と ス レ オ ニ ン92残 基 を も っ て い る.こ の ト リ プ ト フ ァ ン残 基 を チ ロ シ ン 残 基 に 変 え る と吸 収 極 大 が 短 波 長 に 移 動 す る こ と が 報 告 さ れ て い る(14).し た が っ て,こ の 残 基 が 吸 収 極 大 を 少 し長 波 長 に 移 動 さ せ る 原 因 と な っ て い る よ う で あ る.ス レ オ ニ ン 残 基 の 寄 与 に つ い て は,実 験 的 な 根 拠 は な い. さ て,ニ ワ ト リBlueの 吸 収 極 大 は455nmに あ り,有 機 溶 媒 中 の プ ロ トン 化 シ ッ フ 塩 基 よ り も 約15nm長 波 長 側 に あ る.こ の15nmの 長 波 長 移 動 の うち の 半 分 は,先 ほ ど の ト リ プ トフ ァ ン残 基 の 存 在 に よ っ て 説 明 で き る.残 り半 分 は ス レ オ ニ ン269残 基 が 存 在 す る こ と に よ っ て 説 明 で き る.実 際,霊 長 類 の 錐 体 光 受 容 蛋 白 質 の 吸 収 極 大 を 比 較 し た 結 果,こ の ス レ オ ニ ン残 基 は 吸 収 極 大 を 長 波 長 に 移 動 さ せ る 原 因 に な っ て い る こ とが 推 定 さ れ て い る(16).ま た,オ オ ヤ モ リの 光 受 容 蛋 白 質(Gecko P 467)と ウ シ ロ ドプ シ ン との 吸 収 極 大 の 違 い は,122番 目 に 前 者 が グ ル タ ミ ン残 基 を も ち,後 者 が グ ル タ ミ ン 酸 残 基 を も っ て い る こ と で 説 明 で き る.実 際,ウ シ ロ ド プ シ ン の 部 位 特 異 的 変 異 誘 導 の 結 果 か ら,グ ル タ ミ ン酸122残 基 を グ ル タ ミ ン に 変 え る と 吸 収 が 短 波 長 移 動 す る こ と が 示 され て い る. さ て,ヒ トBlueと ニ ワ ト リVioletの 吸 収 極 大 は な ぜ プ ロ ト ン 化 シ ッ フ塩 基 よ り も短 波 長 側 に あ る の だ ろ うか.上 記 の よ うに,こ れ ら の 光 受 容 蛋 白 質 も プ ロ ト ン 化 シ ッ フ 塩 基 を 発 色 団 と し て い る 可 能 性 が 高 い.し た が っ て,吸 収 極 大 を 短 波 長 に 移 動 さ せ る ア ミノ 酸 残 基 が 発 色 団 の 近 く に 存 在 し て い る は ず で あ る.興 味 深 い こ と に,こ れ らの 光 受 容 蛋 白質 には,対 イ オ ン とな る グル タ ミン酸 残 基 の 近 くに,リ ジ ンや アル ギ ニ ン とい った 正 荷 電 を もつ 残 基 が 存 在 す る.も し,こ れ らの 残 基 が プ ロ トン化 した シ ッ フ塩 基 の近 傍 に存 在 す れ ば,吸 収 極大 を短 波 長 に 移 動 させ る 原 因 と な るで あ ろ う. 光 受 容 蛋 白質 間 の ア ミノ酸 配 列 は か な り保 存 さ れ てい る と い って も,吸 収 極 大 の 移 動 に 関 係 す る ア ミノ酸 残 基 を 特 定 す る こ とは,現 在 の 知 識 で は か な り無 理 が あ る.筆 者 らは,(c)の 仮 定 を 入れ る ことに よ っ て,あ る程 度 まで ア ミノ酸 残 基 を 特 定 す る ことが で きた.し か し,プ ロ トン化 シ ッフ塩 基 か らオ オ ヤ モ リP521ま で の 長 波 長 移 動 の 原 因 と 考 え られ る ア ミノ酸 残 基 は9個 も あ る.ま た,こ の長 波 長 移 動 に は蛋 白 質部 分 へ の塩 素 イ オ ンの 結 合 が重 要 な フ ァ クタ ー で あ る と考 え られ て い る.さ らに,(c)の 仮 定 は現 在 ま で の実 験 的 な根 拠 に 基 づ い て い るが 確 立 した もの で は な く,あ る 場 合 に は 吸収 極 大 を短 波 長 に移 動 させ る極性 あ る い は分 極 率 の高 い ア ミノ酸 残 基 が あ る可 能 性 も あ る.し た が っ て,今 後,図4や 他 の 基 準 の 下 に, ア ミノ酸 残 基 を さ らに 特 定 す る 実験 が 期 待 され る. 錐 体 と桿 体 に含 まれ る光 受 容 蛋 白質 の 光 反 応 性 の 違 い す で に述 べ た よ うに,錐 体 と桿 体 とで は,そ の 光 に対 す る応 答 性 が か な り違 う.桿 体 が 非 常 に 高 い光 感 受 性 を も っ てい るの は,そ れ に含 まれ て い る光 受 容 蛋 白質(ロ ドプ シ ン)の レベ ル で説 明 す る な らば,そ れ が 非 常 に 高 い 光 感 受 性 を も って い る こと,ま た 光 反 応 を起 こ した 光 受 容 蛋 白質 が ト ラ ン ス デ ュ ー シ ンを 活 性 化 す る状 態(中 間状 態) に長 く存 在 す るか らと考 え られ る.で は,錐 体 の 光 受 容蛋 白 質 は どの よ うな光 反 応 を 起 こす の で あ ろ うか.筆 者 らは アイ オ ドブ シ ンにつ い て,そ の 光 感 受 性 と光 反 応 過程 を調 べ た. まず ア イオ ドプ シ ンの光 感 受 性 を調 べ てみ た と ころ,ロ ドプ シ ンとほ とん ど同 じ値(1.04倍)を 示 した.こ の こ とか ら,光 を受 容 す る能 力 は両 者 で変 わ らな い こ とが わ か る.し か し,光 感 受 性 は
図5■ ロ ドプ シ ンお よび ア イオ ドプ シ ンの 光 退 色 過 程 と光 情 報 伝 達 に 関 与 す る酵 素 カ ス ケ ー ド系 の模 式 図 分 子 の 分 子 吸 光 係 数 と 量 子 収 率 の 積 に 比 例 す る. そ こ で,ア イ オ ドブ シ ンの 分 子 吸 光 係 数 を 調 べ て み た と こ ろ,ロ ド プ シ ン よ り約1.17倍 高 い 値 を 得 た.こ の 結 果 か ら,ア イ オ ドプ シ ン の 量 子 収 率 は ロ ド プ シ ン の 約90%で あ る こ と が わ か る.量 子 収 率 は 分 子 の 反 応 の しや す さ の 目安 に な る.ア イ オ ド プ シ ン の 値 の ほ うが ロ ドプ シ ン よ り小 さ い が,こ の 小 さ い 差 か ら,錐 体 と桿 体 の 光 感 受 性 の 違 い を 説 明 す る こ と は で き な い.で は,ト ラ ン ス デ ュ ー シ ンを 活 性 化 す る 中 間 状 態 の 寿 命 は ど うで あ ろ うか. 従 来,ア イ オ ドブ シ ンの 光 反 応 過 程 は ほ と ん ど 調 べ られ て い な か っ た.そ こで,筆 者 ら は ま ず ア イ オ ドプ シ ン の 光 反 応 を 調 べ た.そ の 結 果,ア イ オ ドプ シ ン も ロ ドプ シ ン と ほ ぼ 同 様 に,種 々 の 中 間 状 態 を 経 由 し て 変 化 し て い く こ とが わ か っ た (図5).ま た,ト ラ ン ス デ ュ ー シ ン を 活 性 化 す る と 考 え られ て い る メ タII中 間 体(メ タ ア イ オ ドブ シ ンII)も 生 成 す る こ と が 確 か め られ た.と こ ろ が,こ の 中 間 体 の 生 成 は メ タ ロ ド プ シ ンIIに 比 べ て 約2倍 速 く,ま た そ の 寿 命 は,メ タ ロ ドプ シ ン IIに比 べ て約20倍 ほ ど短 い こ とが わ か った.し た が って,メ タII中 間 体 が 速 く生 成 す る こ と か ら,錐 体 の 光 応 答 が 速 い こ と,ま た メタII中 間体 の寿 命 が 短 い こ とか ら,そ の寿 命 の 間 に活 性 化 さ れ る トラ ン スデ ュ ー シ ンの 数 が 少 な いた め に,錐 体 の 光 情 報 の 増 幅 率 が 小 さい こ とが 考 え られ る. また,ア イ オ ドブ シ ンか らは メタIII中間体 の生 成 が 見 られ な い こ と もわ か った.ロ ドプ シ ンの メタ III中間 体 は 寿 命 が 非 常 に 長 く,ま た メ タII中 間体 と熱 平 衡 に あ るた め,結 果 的 に メ タII中 間体 の 寿 命 を さ らに 延 ば して い る こ とに な る.し た が っ て,ア イオ ドプ シ ンで メタIII中間 体 が 生 成 しな い の は,メ タII中 間体 の寿 命 を さ らに 短 く して い る こ とに な る. さて,ア イオ ドプ シ ンに は,吸 収 極 大 の 移 動 に 関 係 す る塩 素 イオ ンの結 合 サ イ トが あ る(図3参 照).ア イ オ ドブ シ ンの光 反応 過 程 で 興 味 あ るの は,そ の反 応 過 程 で塩 素 イ オ ンが 放出 され る可 能 性 の あ る こ とで あ る.1967年 に 吉 澤 とWald(17) は,液 体 窒 素 温度 で ア イ ナ ドプ シ ンを 光 照 射 す る とパ ソ中 間 体(バ ソア イ オ ドブ シ ン)が 生 成 す る 357
が,試 料 の 温度 を 上 げ る と次 の 中 間体 で あ るル ミ ア イ オ ドプ シ ンに は変 化 せず,ア イ オ ドプ シ ン に 戻 っ て しま うこ とを報 告 した.そ の 後 筆 者 らは, ア イ オ ドプ シ ンに結 合 して い る塩 素 イ オ ンを 硝 酸 イ オ ンに置 換 す る と,液 体 窒 素 温 度 で 生 成 す るバ ソア イ オ ドプ シ ンは ア イ オ ドプ シ ンに 戻 らず,ル ミア イ オ ドプ シ ンに変 化 す る ことを 発 見 した(18). この 現 象 は,塩 素 イ オ ン と発 色 団 との 間 に 特 殊 な 相 互 作 用 が あ り,低 温 下 では 蛋 白 質 部 分 の構 造 変 化 が 起 こ りに くいた め に塩 素 イ オ ンの 放 出 が 起 こ らず,そ の 結 果,光 反 応 が 生 理 的 な温 度 で 起 こ る もの とは 異 な る こ とを 示 して い る.最 近 筆 者 ら は,ア イ オ ドプ シ ンのFTIR(フ ー リエ 変 換 赤 外 吸 収)曲 線 を 測 定 し,塩 素 イ オ ンの 結 合 サ イ トは 発 色 団 の シ ッ フ塩 基 近 傍 に あ る ことを 見 いだ して い る,塩 素 イ オ ンが 放 出 され る ことが ア イ オ ドプ シ ンの 生 理 的 な機 能 に 関係 して いれ ば非 常 に興 味 深 い.今 後 の研 究 が 期 待 され る. 従 来,ロ ドプ シ ンの光 退 色 過 程 の 研 究 は,そ の 過 程 が 生 理 的温 度 で は非 常 に速 く起 こるの で,試 料 を低 温 に冷 や す こ とに よ り反 応 速 度 を 遅 らせ て 研 究 が 進 め られ て きた.そ の結 果,光 退 色 過 程 に 現 われ る種 々 の 中 間 状態(中 間体)が 同定 され て きた,ま た,そ の結 果 が 非 常 に ク リア ー で あ った の で,多 くの研 究 者 が,低 温 で観 測 され た 光 退 色 過程 が 生 理 的 温 度 で も起 こ る と考 え て きた.し か し筆 者 らは,光 退 色過 程 の初 期 反 応 に つ い ては, 低 温 と室 温 で は か な り違 うこ とを報 告 した.た と え ば,図5中 の フ ォ トロ ドプ シ ン と名 づ けた 中 間 体 は,試 料 を 液 体 ヘ リウ ム温 度 とい う極 低 温 ま で 冷 や して も安 定 に させ る こ とは で きな い.一 方, 室 温 で は ア イ オ ドプ シ ンか らも この 中 間体 が生 成 す る.ま た,ア イ オ ドブ シ ンで は,塩 素 イ オ ンが 蛋 白質 に結 合 して い るか ど うか で 低 温 で の光 反応 過 程 が 違 う. 最 近 筆 者 らは,メ タ ロ ドプ シ ンIIの 生 成 以前 の 過 程 が,低 温 と室 温 で は か な り違 って い る こ とを 見 いだ した.低 温 で は メ タ ロ ドプ シ ンIIは メタ ロ ドプ シ ンIの 変 化 に 伴 って 生 成 す る が,室 温 で は マ イ ク ロ秒 の オ ー ダ ーで メタ ロ ドプ シ ンIの 生 成 と同 時 に メタ ロ ドプ シ ンIIと 非 常 に よ く似 た スペ ク トル 的 性 質 を も つ 中 間 体(こ こ で はM'と 名 づ け た)が 生 成 し,そ の 後 メ タ ロ ドプ シ ンIIが 生 成 す る こ と が わ か っ た.こ の 結 果 は,従 来 の 低 温 ス ペ ク トル 法 に よ っ て 同 定 さ れ て い る 中 間 体 だ け で は,生 理 的 温 度 に お け る ロ ドプ シ ン と トラ ン ス デ ュ ー シ ン と の 結 合 過 程 を 解 析 で き な い こ と を 示 し て い る.し た が っ て,今 後,生 理 的 温 度 で メ タ ロ ド プ シ ンIIの 生 成 過 程 を 詳 細 に 調 べ る 必 要 が あ る だ ろ う. ＊ 生 物 が 営 む種 々の 生 理 現 象 の 中 で,生 体 内 で の 情 報 変換 シス テ ム(視 覚,味 覚 ・嗅 覚,ホ ル モ ン,神 経 伝 達 物 質,細 胞 増 殖 因 子,免 疫 系 な どに お け る情 報 受 容)の 解 明は,こ こ十 年 ほ どの 生 物 学 研 究 の トピ ッ ク とな っ て い る.こ れ らの 情 報 変 換 シス テ ム の 中 で,視 細 胞 にお け る光 情 報 変 換 シ ス テ ムに つ い て は最 も よ く研 究 が 行 なわ れ て い る もの の 一 つ で あ る.し か し,視 細 胞 に おけ る情 報 伝 達 の 速 さや 精緻 な 調 節機 構 を 解 明す る に は,情 報 伝 達 に 関与 す る個 々 の機 能 性蛋 白質 の 構 造 や ダ イナ ミ ックな動 き,あ る い は蛋 白質 間 の 相 互 作 用 の 仕 方 な どに つ い て さ らに立 ち入 った 研 究 が 必 要 で あ ろ う.実 際,視 細 胞 の応 答 時 間や 応 答 の大 き さ,あ るい は 調 節 の程 度 と直 接 結 び つ く知 見 は非 常 に少 な い.さ らに,刺 激 受 容後 の応 答 回復(刺 激 受 容 後 の 光 情 報 の 遮 断)の 速 度 も定 量 的 に説 明 で き て い な い.今 後 の この分 野 の発 展 を 期 待 した い. 文 献 1) 津 田基 之,前 田 章 夫(編):“ 視 覚 の分 子 メ カ ニズ ム”,蛋 白 質 核 酸 酵 素 臨 時 増 刊4,共 立 出版, 1989.
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