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

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25290002
• 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)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] フンボルト大学ベルリン(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: フンボルト大学ベルリン
• [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 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: Hososhima S, Yuasa H, Ishizuka T, Hoque MR, Yamashita T, Yamanaka A, Sugano E, Tomita H, Yawo H
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 ページ: -
  • DOI: 10.1038/srep16533
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [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, Hiyama A, Ezura Y, Honma M, Ishizuka T, Ohura K, Yawo H, 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
• [雑誌論文] Structural basis for Na(+) transport mechanism by a light-driven Na(+) pump (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Nature 巻: 521 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: Inaguma A, Tsukamoto H, Kato HE, Kimura T, Ishizuka T, Oishi S, Yawo H, Nureki O, Furutani Y
  • 雑誌名: The Journal of Biological Chemistry 巻: 290 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: 10 ページ: -
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0119558
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [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 ページ: 311-316
  • DOI: 10.2142/biophys.55.311
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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 – 2016-03-24
• [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 – 2015-12-20
  • 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 – 2015-11-25
  • 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 – 2015-07-31
• [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 – 2015-07-31
• [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 (150-151)
  • 出版者: 朝倉書店