東大ら,3色の可視光が使えるロドプシンを開発

東京大学と京都大学は,チャネルロドプシンであるChRmineの立体構造を決定し,ChRmineがイオンチャネルとして機能する仕組みを明らかにし,改変型ChRmineを作製し分子ツールとして用いることで,より発展的な光遺伝学実験を可能にした(ニュースリリース)。

ヒトから微生物まで多くの生き物は光受容タンパク質を介して光を受け取り,そこから情報やエネルギーを受け取っている。

光受容タンパク質の中でも微生物が有するイオンポンプやイオンチャネルとして働く「イオン輸送型ロドプシン」は,光エネルギーをイオン輸送という仕事に変換する精巧な分子装置。この性質が着目され,イオン輸送型ロドプシンは特定の神経細胞の活動を光により制御可能な実験ツールとして利用されるようになり,神経科学において必須の光遺伝学となった。

しかし,これまで光遺伝学ツールとして用いられてきたチャネルロドプシンは光電流が弱い,光感受性が低い,短波長光(青色)での光でしか活性化できないといった問題があった。

近年発見されたチャネルロドプシンであるChRmineは,高いイオン電流,高い光感受性,長波長光(赤色光)によって活性化されるという,光遺伝学ツールとして非常に強力な性能を有している。さらにアミノ酸配列に基づく系統解析から,機能はチャネルロドプシンであるにも関わらず,アミノ酸配列はポンプ型ロドプシンと近いことがわかっていた。

しかし「ChRmineとポンプ型ロドプシンはどの程度似ているのか」,「似ているとしたらなぜChRmineはイオンチャネルとして働くことができるのか」,また「ChRmineの性質をさらに向上させた光遺伝学ツールを作ることができるのか」といった疑問が残されていた。

今回,研究グループは,クライオ電子顕微鏡を用いてChRmineの立体構造を決定することに成功した。その結果,ChRmineは大域的にはポンプ型と良く似ている一方,局所的には従来のポンプ型,チャネル型には見られない構造的特徴を複数有しており,このことがChRmineのユニークな分子機能の決定に寄与しているということがわかった。

さらに得られた立体構造の知見から,長波長光によって活性化されるというChRmineの性質をさらに向上させた改変型ChRmineを開発し,3色の可視光を利用して複数の神経細胞集団を同時に光操作・計測するという,より発展的な光遺伝学実験を可能にした。

研究グループは,今回の成果は神経科学の研究を推進するだけではなく,眼精疾患に対する遺伝子治療応用などにも利用されることが期待されるものだとしている。

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