七田芳則 理学研究科名誉教授（現?立命館大学客員教授）、山下高廣 同助教、小島慧一 同研究員（現?岡山大学特任助教）、日下部岳広 甲南大学教授らの共同研究グループは、脊椎動物に進化的に近いホヤの眼で機能する光センサー（光受容タンパク質）を解析することにより、ヒトの高度な視覚機能を支える光センサーがどのように進化してきたのかを実験的に明らかにしました。
本研究成果は、2017年5月22日に米国科学アカデミー紀要（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）オンライン版にて発表されました。
研究者からのコメント
ヒトなど脊椎动物は発达した眼を持ち、ものの形や色を详细に见ることができます。しかし、动物の进化の过程で他のいろいろな动物と分岐した脊椎动物の祖先は、ようやく光を感じる程度の眼しか持っていなかったことが推定されています。本研究では、脊椎动物と最后に分かれた无脊椎动物であるホヤの光センサーを解析することにより、脊椎动物の眼が剧的に进化するターニングポイントを発见したことを报告しています。本研究から、ヒトの高度な视覚机能の特性に関して、分子レベルでの理解が深まると期待されます。
本研究成果のポイント
- カンブリア爆発の时期に他の动物群と分岐した脊椎动物が眼を発达させるのに、最初に光を受容する光受容タンパク质が剧的にシグナル増幅効率を上昇させ、光感受性を良くしたことが重要であることを、本研究グループは以前に発见していた。
- ホヤの光受容タンパク质を解析したところ、脊椎动物の光受容タンパク质が示す高いシグナル増幅効率に必要なアミノ酸残基を既に获得しているが、无脊椎动物の光受容タンパク质で従来机能していたアミノ酸残基もまだ同时に机能しており、シグナル増幅効率を上昇させている途中であった。
- ホヤの光受容タンパク质で新规に获得したアミノ酸残基を変异させると、无脊椎动物の光受容タンパク质と同じ光反応を示した。逆に、従来机能していたアミノ酸残基を変异させると、脊椎动物の光受容タンパク质と同じ光反応を示した。
- ホヤは脊椎动物のような発达した眼は持たないものの、その光受容タンパク质は既に、脊椎动物の光受容タンパク质が形成される进化の途中にあり、眼の进化のターニングポイントに位置することがわかった。
概要
ヒトを含む脊椎动物はカメラに似た眼を持っており、様々な光环境でものの形や色を见ることができます。眼には、外からの光を受容して神経の电気応答に変换する视细胞が含まれ、视细胞では光を受容するための光センサー（光受容タンパク质）が机能しています。视细胞の电気応答は脳へと伝えられ、最终的に「见えた」と実感できます。本研究グループはこれまで、ヒトなど脊椎动物の视细胞に含まれる光受容タンパク质は、脊椎动物の先祖型のものに比べて、光を受けた后の光情报の増幅効率（シグナル増幅効率）が非常に高く、この性质は脊椎动物の光受容タンパク质が分子进化の过程で、新たに特别なアミノ酸残基を获得したからであることを発见していました。しかし、このアミノ酸残基がどのような过程で先祖型の光受容タンパク质の中で获得され、机能するようになったかは明らかでありませんでした。
今回本研究グループは、脊椎动物と最后に分かれた无脊椎动物であるホヤの光受容タンパク质を解析したところ、この特别なアミノ酸残基は既に获得されているが、従来から机能していたアミノ酸残基も同时に机能していることを発见しました。そこでホヤの光受容タンパク质の変异体解析により、新たに获得されたアミノ酸残基をなくすと、无脊椎动物の光受容タンパク质と同様の光反応を示し、逆に従来机能していたアミノ酸残基をなくすと、脊椎动物の光受容タンパク质と同様の光反応を示すようになりました。しかし、変异体によって光シグナルの増幅効率は脊椎动物の光受容タンパク质のレベルまでは大きくならず、タンパク质构造のさらなる変化が必要であることもわかりました。
つまり、ホヤの光受容タンパク質は、進化の過程でシグナル増幅効率を上げるために必要な新規のアミノ酸残基を獲得しているが、まだ、完全な意味で脊椎動物の光受容タンパク質のようにはなっていない、ということがわかりました。まさに、脊椎動物の祖先からヒトの眼の高度な機能が創造される過程のmissing linkを埋める役割を果たしてくれました。ホヤは、ヒトのように発達した眼は持っていませんが、分子のレベルでは高度な視覚機能を進化させるための準備を既に始めていた、と言うことができます。
図：脊椎动物の高度な视覚机能を支える光センサーの进化
视覚を担う光受容タンパク质のシグナル増幅効率の上昇が、脊椎动物の眼が剧的に进化することの一因になったと考えられる。赤丸は脊椎动物の光受容タンパク质の高いシグナル増幅効率に必要なアミノ酸残基を示し、青丸は従来机能していたアミノ酸残基を示している。
详しい研究内容について
书誌情报
【顿翱滨】
Keiichi Kojima, Takahiro Yamashita, Yasushi Imamoto, Takehiro G. Kusakabe, Motoyuki Tsuda, and Yoshinori Shichida (2017) Evolutionary steps involving counterion displacement in a tunicate opsin. Proceedings of the National Academy of Sciences of USA, 114(23), 6028–6033.
