【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　教授　南後恵理子
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 世界初：霊長類の「赤」と「緑」の視物質の立体構造 (暗状態) を原子レベルで解明
• わずか3つのアミノ酸が「色の見分け」を支配する仕組みを特定
• 錐体特有の「横穴」構造を発見：迅速な視覚再生の鍵を提示
• 色覚多様性の理解から次世代の創薬・治療戦略への応用に期待

【概要】

ヒトを含む霊長類の色覚は、赤・緑・青の3種類の「錐体 (すいたい) 視物質 (注1)」によって実現されています。なかでも赤と緑の視物質は、アミノ酸配列の約96％が共通しているにもかかわらず、吸収する光の波長に約30 ナノメートル (nm、1nmは10億分の1メートル)という決定的な差があり、このわずかな違いが赤と緑の識別を可能にしています。しかし、この波長差を生む立体構造上のメカニズムは、色覚研究における長年の大きな謎でした。

名古屋工業大学生命・応用化学類の片山耕大准教授らの国際共同研究グループは、霊長類 (マカク)の赤および緑錐体視物質の「暗状態 (光を受ける前の状態)」における3次元構造を、クライオ電子顕微鏡単粒子解析 (注2)により世界で初めて原子レベルで決定しました。さらに量子化学計算 (注3)と統合解析を行うことで、光を吸収する物質 (レチナール (発色団) (注4)) 自体の構造は両者でほぼ同一である一方、赤錐体に特異的な3つの親水性アミノ酸残基の「配置」や「電気的な性質 (双極子モーメント (注5))」の違いにより生じる静電環境が、赤と緑の見分けを実現する決定的要因であることを明らかにしました。

また、暗所視を担う「桿体 (かんたい) 視物質 (ロドプシン)」との比較から、錐体視物質における膜側面の構造的空隙 (横穴構造) (注6)を見いだしました。さらなる解析の結果、レチナールの「放出」と「取り込み」は、それぞれ異なる経路を通じて行われる可能性が示されました。活性化に伴う膜側面の横穴の形成自体はロドプシンでも見られますが (第一の横穴)、錐体視物質では、暗状態においてすでに「取り込み側」の経路 (第二の横穴) が開いた構造をとっていることが明らかになりました。この構造的特徴により、レチナールの取り込み効率が高まり、光応答後の再生が迅速に進行することで、錐体特有の高速な視覚サイクルを支えていると考えられます。加えて、錐体視物質では暗状態でも活性型に近い柔軟な構造をとる性質も確認されました。これらは錐体特有の「高速な光応答」や「迅速な視覚再生」を支える重要な構造基盤であり、強い光にさらされる日中の環境下で、色覚機能を連続的に維持するために錐体視物質が獲得した構造的適応であると考えられます。本成果は、色覚の分子機構の理解を飛躍的に進展させるものであり、将来的な視覚疾患の病態解明や創薬研究への大きな貢献が期待されます。

本研究は、名古屋工業大学生命・応用化学類の片山耕大准教授、大橋沙也佳氏 (博士後期課程3年)、神取秀樹特別教授、東京大学先端科学技術研究センターの加藤英明教授、イタリア・シエナ大学のMassimo Olivucci教授、京都大学医学部の岩田想教授、医生物学研究所の野田岳志教授、ヒト行動進化研究所の今井啓雄教授、関西医科大学医学部医化学講座の小林拓也教授、寿野良二准教授、東北大学多元物質科学研究所の南後恵理子教授らとの国際共同研究として実施されました。

本研究成果は、2026年6月25日午後2時 (EDT)に米国科学誌「Science」のオンライン版に掲載されました。

【用語解説】

(注1) 錐体 (すいたい) 視物質
ヒトを含む霊長類の網膜にある「錐体細胞」に存在し、色を感知するタンパク質。赤・緑・青の3種類があり、それぞれが特定の波長の光に反応することで、脳が色を識別します。一方、暗い場所で働く視物質は「桿体視物質 (ロドプシン)」と呼ばれます。

(注2) クライオ電子顕微鏡単粒子解析
タンパク質などの生体分子をマイナス180℃以下の急速凍結状態で観察し、電子顕微鏡で撮影した多数の分子像から、その3次元構造を決定する手法。結晶化が困難な不安定なタンパク質でも、原子レベルの精密な構造を捉えることが可能です。

(注3) 量子化学計算
量子力学の原理に基づき、分子内の電子の振る舞いを計算することで、物質の性質を予測する手法。本研究では、タンパク質内部の複雑な静電環境が、レチナールの吸収する光のエネルギー (波長) にどのような影響を与えるかを精密に解析するために用いられました。

(注4) レチナール (発色団)
ビタミンAから作られる、光を受け取るための小さな分子。視物質タンパク質の内部に結合しており、光を吸収するとその形を変化させます。これがスイッチとなり、タンパク質全体の構造変化を引き起こして視覚信号が発生します。

(注5) 双極子モーメント
分子やアミノ酸残基内部における、プラスとマイナスの電荷の偏りの大きさと方向を示す指標。本研究では、赤錐体特有のアミノ酸が持つこの「電気的な偏り」の向きが、レチナールとの相互作用を通じて波長を長波長側へシフトさせていることを突き止めました。

(注6) 構造的空隙 (横穴構造)
タンパク質分子の内部から外部 (膜側面) へと通じている小さな隙間。本研究では、錐体視物質において、光によって変性したレチナールを排出し、新しいレチナールを迅速に取り込むための「搬入口」として機能している可能性が示されました。

【論文情報】

論文名：Structural insights into spectral tuning and retinal exchange in cone visual pigments
著者名：Sayaka Ohashi, Kota Katayama*, Asato Kojima, Xuchun Yang, Masahiro Fukuda, Filippo Sacchetta, Ryoji Suno, Yukihiko Sugita, Nipawan Nuemket, Suhyang Kim, Kazuhiro Kobayashi, Hiroo Imai, So Iwata, Eriko Nango, Takuya Kobayashi, Takeshi Noda, Massimo Olivucci*, Hideaki E. Kato*, Hideki Kandori*
*責任著者
掲載雑誌名：Science
公表日：2026年6月25日
DOI：10.1126/science.adz3996

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学 多元物質科学研究所
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TEL：022-217-5345　
E-mail：eriko.nango.c4*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（取材に関すること）
東北大学 多元物質科学研究所 広報情報室
TEL：022-217-5198　　
E-mail：press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）