光駆動型神経機能素子の開発

• 研究課題/領域番号: 21K19229
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分43:分子レベルから細胞レベルの生物学およびその関連分野
• 研究機関: 広島大学 (2023); 香川大学 (2021-2022)
• 研究代表者: 藤原 祐一郎 広島大学, 医系科学研究科(医), 教授 (20532980)
• 研究分担者: 川鍋 陽 香川大学, 医学部, 講師 (10707128)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: イオンチャネル / 光駆動

研究開始時の研究の概要

神経機能の基盤はイオンチャネルによる電気信号の発生にある。光を照射することで構造の変化する物質を、イオンチャネルに導入して、光を照射することによりイオンチャネルのゲートを開閉して電気信号を人為的に発生させることを目論む。本研究は新しいタイプの光駆動性イオンチャネルを創製することを目的とする。

研究成果の概要

新しいタイプの光駆動性イオンチャネルおよび光駆動性膜機能蛋白質を創製することを目的として、光異性化を起こすアゾベンゼンをイオンチャネル等に付加することで、光によるイオンチャネル活性の制御を試みた。BmGrチャネルやHvチャネルを対象に研究を行い、光駆動型BmGrチャネルを作成に成功した。光異性化により残基間距離の規定されるアゾベンゼン試薬の特性を利用して、イオンチャネルの開閉機構を検討し、多くの導入残基の距離の測定を行い、チャネルゲーティングモデルを構築した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

近年、オプトジェネティクスと称して藻類由来チャネルロドプシンなどの光駆動性チャネルは神経回路機能の解析ツールとして研究が進んでいる。一方これらツールには哺乳類のチャネルの性質を維持していないという問題点もあり、より有用な光駆動チャネルの開発が期待されている。そのためには動的な動作機構・構造変化を詳細に理解する必要がある。本研究は、チャネルの開閉機構を理解し、チャネルの性質を保持した、光駆動分子を創製するという上述の問題点を一度に克服できる学術的意義がある。

研究成果

• [雑誌論文] Rhodopsin-bestrophin fusion proteins from unicellular algae form gigantic pentameric ion channels (2022)
  • 著者名/発表者名: Rozenberg A,Kaczmarczyk I,Matzov D,Vierock J,Nagata T,Sugiura M,Katayama K,Kawasaki Y,Konno M,Nagasaka Y,Aoyama M,Das I,Pahima E,Church J,Adam S,Borin VA,Chazan A,Augustin S,Wietek J,Dine J,Peleg Y,Kawanabe A,Fujiwara Y,Yizhar O,Sheves M,Schapiro I,Furutani Y,Kandori H,Inoue K,Hegemann P,Beja O,Shalev-Benami M.
  • 雑誌名: Nature Structural & Molecular Biology 巻: 29 号: 6 ページ: 592-603
  • DOI: 10.1038/s41594-022-00783-x
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 受容体チャネルの光駆動化と構造変化の計測 (2024)
  • 著者名/発表者名: 藤原 祐一郎、平野 磨生子、神鳥 和代
  • 学会等名: 第101回日本生理学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] アラキドン酸は電位依存性 H+ チャネルの電圧センサーの活性化を制御する (2024)
  • 著者名/発表者名: 髙田 麻紀、竹下 浩平、川鍋 陽、藤原 祐一郎
  • 学会等名: 第101回日本生理学会大会
• [学会発表] 電位依存性カリウムチャネルに対する硫化水素修飾の検証 (2024)
  • 著者名/発表者名: 川鍋 陽、藤原 祐一郎
  • 学会等名: 第101回日本生理学会大会
• [学会発表] 多様な糖の中から一つを選ぶグルコーストランスポーターの 基質認識機構の理解 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤原 祐一郎
  • 学会等名: 第13回化学フェスタ
  • 招待講演
• [学会発表] Creation of Photoswitchable Ion Channels and Measurement of Their Dynamic Structural Changes (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤原 祐一郎1,2、平野 磨生子1、神鳥 和代1,2
  • 学会等名: 第100回日本生理学会大会
• [学会発表] 電位依存性プロトンチャネルHv1はATPと直接結合して活性調節を受ける (2023)
  • 著者名/発表者名: 川鍋 陽1、高田 麻紀1、竹下 浩平2、藤原 祐一郎1
  • 学会等名: 第100回日本生理学会大会
• [学会発表] 膜の張力と脂質による電位依存性H+チャネル活性制御機構 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高田 麻紀1、竹下 浩平2、川鍋 陽1、藤原 祐一郎1
  • 学会等名: 第100回日本生理学会大会
• [学会発表] Functional regulation and intermolecular interaction of phosphoinositides on potassium channel KcsA (2023)
  • 著者名/発表者名: 紀谷 拓音1、竹下 浩平2、川鍋 陽1、藤原 祐一郎1
  • 学会等名: 第100回日本生理学会大会
• [学会発表] Sodium-glucose cotransporters (SGLT) in Ciona intestinalis transports various kinds of sugar (2023)
  • 著者名/発表者名: 神鳥 和代1,2、藤原 祐一郎1,2
  • 学会等名: 第100回日本生理学会大会
• [学会発表] The voltage-gated proton channel is regulated by ATP (2022)
  • 著者名/発表者名: 川鍋陽、高田麻紀、藤原祐一郎
  • 学会等名: 第99回日本生理学会大会
• [学会発表] Functional Characterization and Molecular Basis of KcsA Modulation by Phosphoinositides (2021)
  • 著者名/発表者名: 紀谷拓音、川鍋陽、藤原祐一郎
  • 学会等名: 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会 第98回日本生理学会大会 合同大会
• [学会発表] Mechanism of selective transport of sugar in sodium-glucose co-transporter SGLT (2021)
  • 著者名/発表者名: 神鳥和代、城田松之、藤原祐一郎
  • 学会等名: 第73回日本生理学会中国四国地方会
• [学会発表] Structural Basis for Temperature-Sensitive Gating of Voltage-Gated H+ Channels (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤原祐一郎
  • 学会等名: 第59回日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [図書] 生理学用語ハンドブック (2024)
  • 著者名/発表者名: 日本生理学会用語委員会、分担執筆（藤原祐一郎）
  • 総ページ数: 448
  • 出版者: 丸善出版
  • ISBN: 9784621309087