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2015 Fiscal Year Annual Research Report

イオン選択性に優れた次世代チャネルロドプシンの創出とオプトジェネティクスへの応用

Research Project

Project/Area Number 25290002
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

石塚 徹  東北大学, 生命科学研究科, 講師 (10344714)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2016-03-31
Keywordsオプトジェネティクス / チャネルロドプシン / 光遺伝学 / 微生物型ロドプシン / ナトリウムイオン
Outline of Annual Research Achievements

2013年に海洋細菌Krokinobacter eikastusから単離同定された新種の微生物型ロドプシン・KR2は,光エネルギーを利用して,細胞内のナトリウムイオンを細胞外へ濃度勾配に逆らって輸送する光駆動ナトリウムイオンポンプ(NaR)として機能する。ヒトコドンに最適化したKR2に,細胞膜移行シグナル,黄色蛍光タンパク質(EYFP),小胞体輸出シグナルを付加したコンストラクトをラット大脳皮質培養ニューロンに発現させ,緑色光を照射すると,その間ニューロンの発火を持続的かつ効果的に抑制した。この研究成果により,KR2が新たなオプトジェネティクスツールとして利用できることを明らかにした。今年度は,NaRの構造-機能解析とツールとしての更なる最適化を目指して,Indibacter alkaliphilus由来のNaR (IndiR2) とのキメラ分子を作製し,タンパク質の膜発現効率や光電流特性の詳細を解析した。あるキメラ分子をマウス神経芽細胞腫×ラット脊髄後根神経節細胞ハイブリッド細胞株のND7/23細胞に発現させると,その膜発現はKR2やIndiR2よりも優れており,またKR2では見られなかった光電流の膜電位依存性が認められるなど,新たな特性をもつ分子が得られた。NaRはナトリウムイオンの細胞内流入と拮抗することで,膜電位が発火の閾値を超えることを抑制していると考えられる。光駆動プロトンポンプや光駆動塩化物イオンポンプが過分極型オプトジェネティクスツールとして主に利用されているが,細胞内pHの変化や過剰な過分極を引き起こすなどの問題点があった。NaRはこれらの欠点を解消したオプトジェネティクスツールとしての利用が期待される。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

27年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (14 results)

All 2016 2015 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 7 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Book (1 results)

  • [Int'l Joint Research] フンボルト大学ベルリン(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      フンボルト大学ベルリン
  • [Journal Article] The regulatory mechanism of ion permeation through a channelrhodopsin derived from Mesostigma viride (MvChR1)2016

    • Author(s)
      Watanabe S, Ishizuka T, Hososhima S, Zamani A, Hoque MR, Yawo H
    • Journal Title

      Photochemical & Photobiological Sciences

      Volume: 15 Pages: 365-374

    • DOI

      10.1039/c5pp00290g

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Near-infrared (NIR) up-conversion optogenetics2015

    • Author(s)
      Hososhima S, Yuasa H, Ishizuka T, Hoque MR, Yamashita T, Yamanaka A, Sugano E, Tomita H, Yawo H
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 5 Pages: -

    • DOI

      10.1038/srep16533

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Membrane depolarization regulates intracellular RANKL transport in non-excitable osteoblasts2015

    • Author(s)
      Notomi T, Kuno M, Hiyama A, Ezura Y, Honma M, Ishizuka T, Ohura K, Yawo H, Noda M
    • Journal Title

      Bone

      Volume: 81 Pages: 306-314

    • DOI

      10.1016/j.bone.2015.07.031

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structural basis for Na(+) transport mechanism by a light-driven Na(+) pump2015

    • Author(s)
      Kato HE, Inoue K, Abe-Yoshizumi R, Kato Y, Ono H, Konno M, Hososhima S, Ishizuka T, Hoque MR, Kunitomo H, Ito J, Yoshizawa S, Yamashita K, Takemoto M, Nishizawa T, Taniguchi R, Kogure K, Maturana AD, Iino Y, Yawo H, Ishitani R, Kandori H, Nureki O
    • Journal Title

      Nature

      Volume: 521 Pages: 48-53

    • DOI

      10.1038/nature14322

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Chimeras of channelrhodopsin-1 and -2 from Chlamydomonas reinhardtii exhibit distinctive light-induced structural changes from channelrhodopsin-22015

    • Author(s)
      Inaguma A, Tsukamoto H, Kato HE, Kimura T, Ishizuka T, Oishi S, Yawo H, Nureki O, Furutani Y
    • Journal Title

      The Journal of Biological Chemistry

      Volume: 290 Pages: 11623-11634

    • DOI

      10.1074/jbc.M115.642256

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Kinetic evaluation of photosensitivity in bi-stable variants of chimeric channelrhodopsins2015

    • Author(s)
      Hososhima S, Sakai S, Ishizuka T, Yawo H
    • Journal Title

      PLoS ONE

      Volume: 10 Pages: -

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0119558

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 生命機能の光エンジニアリング2015

    • Author(s)
      石塚徹,江川遼,梅田桂子,東海林亙,八尾寛
    • Journal Title

      生物物理

      Volume: 55 Pages: 311-316

    • DOI

      10.2142/biophys.55.311

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 近赤外オプトジェネティクスを用いたニューロンの制御2016

    • Author(s)
      細島頌子,湯浅英哉,菅野江里子,冨田浩史,石塚徹,八尾寛
    • Organizer
      第93回日本生理学会大会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-03-22 – 2016-03-24
  • [Presentation] Optogenetic silencing of neuronal activity using a light-driven sodium ion pump in marine bacteria2015

    • Author(s)
      Ishizuka T, Hososhima S, Hoque MR, Yoshida K, Inoue K, Kandori H, Yawo H
    • Organizer
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2015 (Pacifichem 2015)
    • Place of Presentation
      ホノルル(アメリカ合衆国)
    • Year and Date
      2015-12-15 – 2015-12-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Optogenetic induction of contractile ability in C2C12 myotubes2015

    • Author(s)
      Yawo H, Asano T, Ishizuka T
    • Organizer
      8th Federation of Asian and Oceanian Physiological Societies (FAOPS) Congress
    • Place of Presentation
      バンコク(タイ)
    • Year and Date
      2015-11-22 – 2015-11-25
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ランタニドナノ粒子のアップコンバージョンを利用した近赤外オプトジェネティクス2015

    • Author(s)
      八尾寛,細島頌子,阿部健太,湯浅英哉,菅野江里子,冨田浩史,石塚徹
    • Organizer
      第38回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      神戸コンベンションセンター(兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2015-07-28 – 2015-07-31
  • [Presentation] Optogenetic silencing of neural activity using a light-driven Na+ pump from marine bacteria2015

    • Author(s)
      Hoque MR,細島頌子,吉田一帆,石塚徹,井上圭一,神取秀樹,八尾寛
    • Organizer
      第38回日本神経科学大会
    • Place of Presentation
      神戸コンベンションセンター(兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2015-07-28 – 2015-07-31
  • [Book] 光と生命の事典2016

    • Author(s)
      日本光生物学協会 光と生命の事典 編集委員会編 編集委員-真嶋哲朗,飯野盛利,七田芳則,藤堂剛,執筆者-石塚徹,他
    • Total Pages
      436 (150-151)
    • Publisher
      朝倉書店

URL: 

Published: 2017-01-06  

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