第一章 緒論
第二節 微生物視紫質
微生物視紫質 (Microbial Rhodopsin, MRho)，是普遍存在於微生物中，能夠 感受可見光，並對微生物產生生理作用的一群穿膜蛋白質 [13, 14]。這群感光蛋白 質 (圖 1) 具有以下共同特性 : (1) 由七個 alpha 螺旋穿膜區域構成的筒狀蛋白 質，由N 端至 C 端分別被標示為 A-G helix ; (2) 由視黃醛 (retinal) 與 G-helix 上 的離胺酸 (Lysine) 形成共價鍵結的 Schiff base 構成一個感光基團 ; (3) 蛋白質 在基態時，發光基團為全反式視黃醛 (all-trans retinal)，並且發光基團受光子激 發後，會變為13-順視黃醛 (13-cis retinal)，進而改變蛋白質結構，使其變為數個 不同中間激發態 (intermediates) ; (4) 視紫質能夠依其 retinal binding pocket (RBP) 朝向細胞外或胞內，而分別定義為E 及 C conformer [15]。
圖1、微生物視紫質之共通特性。 a. 由 A 至 G 共七個 alpha 螺旋構成的穿膜區 域，虛線圈出感光基團 all-trans-retinal 與蛋白質 G 螺旋上的離胺酸形成 Schiff base 鍵結。 b. 以菌式視紫質 HsBR 為模板，展示視紫質的蛋白質結構，藍色為 N 端，紅色為 C 端。 c. 發光基團 retinal 在光照前後，於 all-trans 及 13-cis 型 態間之轉換。
統整目前在所有微生物中 MRho 的功能研究結果，MRho 主要可區分出光 驅動離子幫浦 (light-driven ion transporters) 及光趨性受體 (phototaxis receptors) 兩 大 類 [14, 16, 17]。 第 一 類 中 ， 包 含 了 在 嗜 鹽 古 生 菌 中 的 菌 式 視 紫 質 (Bacteriorhodopsin, BR) 、氯視紫質 (Halorhodopsin, HR) [18]，以及在海洋細菌中 的鈉視紫質(Sodium-pumping rhodopsin) [19]。而在第二類光趨性受體中，則包含 了在嗜鹽古生菌的感覺型視紫質 (Sensory Rhodopsin, SR) 、藍綠菌中的感覺型 視紫質 (Anabaena Sensory Rhodopsin) [20, 21]、藻類中的陽/陰離子通道 (Cation / Anion ChannelRhodopsin, ChR) [22, 23]調控微細綠藻的鞭毛等等。
在真菌，除了原先被發現的 Nop-1 的真菌視紫質 [24]外，近年藉由生物資訊 學的方式，也的確在許多真菌中發現視紫質的存在，並有其豐富的多樣性，如光 週期快的、慢的以及離子傳輸與否的都有被報導過 [25, 26]，有些研究指出真菌視 紫質能夠調控真菌的光趨性 [27]。
若只針對嗜鹽古生菌來看，截至目前的研究，這類 MRho 主要功能有三種 (圖 2) ：菌式視紫質、氯視紫質、以及感覺型視紫質 [28]。 值得一提的是，在 目前發現的微生物視紫質中，有兩個功能尚未確定的蛋白質，分別為： HwMR
[29] 及 HmSRM [30, 31]。
其中，HwMR 存在於缺乏感覺型視紫質的 H. walsbyi 中，該菌株藉由未知 機制調控液胞 (gas vesicles) ，而能在水域中改變可見光的獲取量 [11]。HwMR 在 序列比對上被歸屬於 BR，但其同時具有光週期慢的特性，這又比較類似感覺型
marismortui 中 [31, 32]， 由 序 列 分 析 及 基 因 體 比 對 發 現 和 它 配 對 的 傳 導 元 (transducer) HtrM [31]，推測其為感覺型視紫質，為本篇研究的重點。
圖2、嗜鹽古生菌中視紫質的分佈。將七株嗜鹽古生菌基因體中發現的微生物視
紫質，按照蛋白質序列比對親緣關係，並以不同色塊標出五大類的微生物視紫質：
BR (青色), HR (綠色), SRI (紅色), SRII (黃色), SRM (橘色)。標記方式為學名加上 蛋白質名稱。圖中數字標出 Bootstrap value (>0.5)，數值越大表示統計資料的確 定性越高。BR: bacteriorhodopsin; HR: halorhodopsin; SR: sensory rhodopsin。
菌式視紫質 (Bacteriorhodopsin; BR) 以三聯體為單位，聚集在古生菌細胞膜 上，形成一塊連續性的特定區位，稱之為紫膜 (purple membrane) [35]。BR 是一 個光驅動質子幫浦，能夠吸收550 nm 波長附近的綠光波長，將質子從細胞內傳 輸至細胞外 [33, 34]。藉由此質子傳輸形成胞內外間的質子濃度梯度，使質子由胞
(Lynch EA, 2012)
外通過 ATPase 進入胞內時，以 10 : 3 的質子/ATP 分子比例，產生生物之能量 Sensory Rhodopsin II (SRII) [43]。本實驗室發表的Sensory Rhodopsin M (SRM) 則 會吸收綠光波段，推測能夠增加趨光反應。感覺型視紫質 (NpSRII) 訊息傳遞機 制，是由F, G alpha 螺旋上兩個胺基酸：tyrosine, threonine，往外推送，將此感受 訊號藉由氫鍵，物理性地傳導至旁邊的傳導元 (transducer) [44]。生理上，SRs 會 以三聯雙聯體 (trimer of dimer) 的形式存在於細胞膜上，而此形式能夠增加其酵 素活性達百倍 (圖 3b) [45, 46]。
圖3、嗜鹽古生菌中感覺型視紫質與其傳導元。 a 以 SRM 及 HtrM 的簡圖示意，
感覺型視紫質與其傳導元之位置關係。 b 以 NpSRII 的 X-ray 結構表示，生理上 感覺型視紫質以三聯雙聯體存在。SR 單元體之間距離約 9 nm 、 傳導元之長度 約為 35 nm 、 傳導元之間的距離則為 7-8 nm。不同之單元體以不同的顏色標 示。複合體胞內端以六個傳導元尖端，共同構成與 CheA/CheW 複合體結合之區 域。