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

• 研究課題/領域番号: 25290002
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 一部基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 神経生理学・神経科学一般
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 石塚 徹 東北大学, 生命科学研究科, 講師 (10344714)
• 連携研究者: 八尾 寛 東北大学, 大学院生命科学研究科, 教授 (00144353)
• 研究協力者: 細島 頌子 ; 渡部 翔太 ; ザマニ アレメ ; ホーク モハンマド ラズアヌル
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円); 2015年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2014年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2013年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
• キーワード: 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 / イオンチャネル

研究成果の概要

チャネルロドプシン-2(ChR2)の97番目のグルタミン酸残基は，種々のChRにおいて広く保存されており，静電的な相互作用により陽イオンの透過を促進していることが示唆されている。しかしMChR1では，その部分に相当するアミノ酸残基がアラニンに置換している。この意義について，MChR1の構造-機能解析，Gd(3+)によるチャネルブロックなどの研究から，MChR1のチャネルポア構造はChR2のものとは異なっていることが示唆された。
また，光駆動Na(+)ポンプの哺乳類細胞での発現最適化と光による培養ニューロン活動の抑制にも成功した。これらは次世代オプトジェネティクスツールとしての活用が期待される。

研究成果

• [国際共同研究] フンボルト大学ベルリン(ドイツ)
• [雑誌論文] The regulatory mechanism of ion permeation through a channelrhodopsin derived from Mesostigma viride (MvChR1) (2016)
  • 著者名/発表者名: Watanabe S, Ishizuka T, Hososhima S, Zamani A, Hoque MR, Yawo H
  • 雑誌名: Photochemical & Photobiological Sciences 巻: 15 号: 3 ページ: 365-374
  • DOI: 10.1039/c5pp00290g
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Near-infrared (NIR) up-conversion optogenetics. (2015)
  • 著者名/発表者名: Shoko Hososhima, Hideya Yuasa, Toru Ishizuka, Mohammad R. Hoque, Takayuki Yamashita, Akihiro Yamanaka, Eriko Sugano, Hiroshi Tomita, and Hiromu Yawo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 号: 1 ページ: 16533-16533
  • DOI: 10.1038/srep16533
  • NAID: 120007179836
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Membrane depolarization regulates intracellular RANKL transport in non-excitable osteoblasts (2015)
  • 著者名/発表者名: Notomi T, Kuno M, Ezura Y, Honma M, Ishizuka T, Ohura K, Yao H and Noda M.
  • 雑誌名: Bone 巻: 81 ページ: 306-314
  • DOI: 10.1016/j.bone.2015.07.031
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump (2015)
  • 著者名/発表者名: H. E. Kato, K. Inoue, R. Abe-Yoshizumi, Y. Kato, H. Ono, M. Konno, S. Hososhima, T. Ishizuka, M. R. Hoque, H. Kunitomo, J. Ito, S. Yoshizawa, K. Yamashita, M. Takemoto, T. Nishizawa, R. Taniguchi, K. Kogure, A. D. Maturana, Y. Iino, H. Yawo, R. Ishitani, H. Kandori*, O. Nureki*
  • 雑誌名: Nature 巻: 未定 号: 7550 ページ: 48-53
  • DOI: 10.1038/nature14322
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chimeras of Channelrhodopsin-1 and -2 from Chlamydomonas reinhardtii Exhibit Distinctive Light-induced Structural Changes from Channelrhodopsin-2. (2015)
  • 著者名/発表者名: Asumi Inaguma, Hisao Tsukamoto, Hideaki E. Kato, Tetsunari Kimura, Toru Ishizuka, Satomi Oishi, Hiromu Yawo, Osamu Nureki, Yuji Furutani
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 290 号: 18 ページ: 11623-11634
  • DOI: 10.1074/jbc.m115.642256
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Kinetic evaluation of photosensitivity in bi-stable variants of chimeric channelrhodopsins. (2015)
  • 著者名/発表者名: Hososhima S, Sakai S, Ishizuka T, Yawo H.
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: - 号: 3 ページ: e0119558-e0119558
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0119558
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 生命機能の光エンジニアリング (2015)
  • 著者名/発表者名: 石塚徹、江川遼、梅田桂子、東海林亙、八尾寛
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 55 号: 6 ページ: 311-316
  • DOI: 10.2142/biophys.55.311
  • NAID: 130005110040
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optogenetic induction of contractile ability in immature C2C12 myotubes. (2015)
  • 著者名/発表者名: Asano T, Ishizuka T, Morishima K, Yawo H
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 5 号: 1 ページ: 8317-8317
  • DOI: 10.1038/srep08317
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 細島頌子，湯浅英哉，菅野江里子，冨田浩史，石塚徹，八尾寛
  • 学会等名: 第93回日本生理学会大会
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • 年月日: 2016-03-22
• [学会発表] Optogenetic silencing of neuronal activity using a light-driven sodium ion pump in marine bacteria (2015)
  • 著者名/発表者名: Ishizuka T, Hososhima S, Hoque MR, Yoshida K, Inoue K, Kandori H, Yawo H
  • 学会等名: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2015 (Pacifichem 2015)
  • 発表場所: ホノルル（アメリカ合衆国）
  • 年月日: 2015-12-15
  • 国際学会
• [学会発表] Optogenetic induction of contractile ability in C2C12 myotubes (2015)
  • 著者名/発表者名: Yawo H, Asano T, Ishizuka T
  • 学会等名: 8th Federation of Asian and Oceanian Physiological Societies (FAOPS) Congress
  • 発表場所: バンコク（タイ）
  • 年月日: 2015-11-22
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第38回日本神経科学大会
  • 発表場所: 神戸コンベンションセンター（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2015-07-28
• [学会発表] Optogenetic silencing of neural activity using a light-driven Na+ pump from marine bacteria (2015)
  • 著者名/発表者名: Hoque MR，細島頌子，吉田一帆，石塚徹，井上圭一，神取秀樹，八尾寛
  • 学会等名: 第38回日本神経科学大会
  • 発表場所: 神戸コンベンションセンター（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2015-07-28
• [学会発表] Bi-stable variants of chimeric channelrhodopsins: kinetics-dependent activation of neurons (2014)
  • 著者名/発表者名: Hososhima, S., Ishizuka, T., Yawo, H.
  • 学会等名: 16th International Conference on Retinal Proteins
  • 発表場所: 長浜ロイヤルホテル（滋賀県長浜市）
  • 年月日: 2014-10-05 – 2014-10-10
• [学会発表] Light-induced membrane depolarization by two-component optogenetics (2014)
  • 著者名/発表者名: Zamani, A., Ishizuka, T., Yawo, H.
  • 学会等名: 16th International Conference on Retinal Proteins
  • 発表場所: 長浜ロイヤルホテル（滋賀県長浜市）
  • 年月日: 2014-10-05 – 2014-10-10
• [学会発表] Modification of ion selectivity in channelrhodopsins (2014)
  • 著者名/発表者名: Ishizuka, T.
  • 学会等名: Channelrhodopsin et al. Optogenetic Tools and Applications, 2014 Conference
  • 発表場所: ビュルツブルク（ドイツ）
  • 年月日: 2014-09-28 – 2014-10-01
• [図書] 光と生命の事典 (2016)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 総ページ数: 436
  • 出版者: 朝倉書店