公大,光受容タンパク質で生体の行動をコントロール

大阪公立大学の研究グループは,2種類の光受容タンパク質によって,それぞれ線虫の行動を光でコントロールできることを明らかにした(ニュースリリース)。

動物の光受容タンパク質(ロドプシン)は,さまざまな刺激に対する受容体(Gタンパク質共役型受容体:GPCR)の仲間であることから,うまく使えばGPCRロドプシンとして,さまざまなGPCRおよびその先の細胞内シグナル伝達や生理応答を光で操作することができる。

しかし,眼で機能している光受容体は,眼などのごく一部にしか存在しない特別な形の小分子(発色団)が必要で,かつ一度光を受けると壊れてしまうため継続的には使えず(退色型),光スイッチとして機能するには不向きだった。

研究では,それぞれ光スイッチとして有用な性質を持つMosOpn3とLamPPという2種類の双安定型GPCRロドプシンについて,線虫を用いてGPCRが関わる生理応答の光コントロールを試みた。

MosOpn3は特別な形の発色団だけでなく,体中に存在する他の発色団でも光受容タンパク質として機能する。研究グループは,線虫の感覚細胞の一種に MosOpn3遺伝子を発現させた。

この感覚細胞は,嫌いな刺激を受けると忌避行動を引き起こすセンサーで,MosOpn3を発現させた線虫は,光刺激に対しても忌避行動を示した。さらに,この忌避行動は生体内のどこにでも存在する形の発色団の添加によっても起きたほか,チャネルロドプシンに比べて7,000倍以上も高感度に働くことがわかり,生体内で高感度な光スイッチとして使えることが示された。

LamPPは双安定型GPCRロドプシンで,UV光を効率的に吸収して活性状態になるUV受容タンパク質。この活性状態は緑色の光に感度があり,緑色の光を当てると完全に元の不活性状態に戻る。すなわちLamPPは,UVで活性状態,緑色で不活性状態と,光の色で切り替えることができる。

LamPPを発現させた線虫では,UV光を照射すると動きが止まり(丸くなり),緑色光を照射すると再び動きだした。この行動は,UV光照射と緑色光照射によって何度でも繰り返され,光の色で線虫の行動のオン・オフを切り替えられることを示す。

さらに,GPCRを介して引き起こされる細胞内シグナル伝達には複数種類あり,MosOpn3とLamPPは主にそのうち一つを駆動するが,今回,MosOpn3とLamPPをそれぞれ改良し,他のシグナル伝達系を駆動できる改変型MosOpn3およびLamPPの作製にも成功した。

研究グループはこの光遺伝学ツールが,生命科学研究におけるブレークスルーになるとしている。

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