「光遺伝学」の版間の差分

光遺伝学 (ソースを閲覧)

2014年5月20日 (火) 16:33時点における版

844 バイト追加、 2014年5月20日 (火)

細

編集の要約なし

Tfuruya

ビューロクラット、管理者

9,444

回編集

@@ 13行目: / 13行目: @@
 　光遺伝学とは、光によって活性化されるタンパク分子を遺伝学的手法を用いて特定の細胞に発現させ、その機能を光で操作する技術である。光（opto）と遺伝学（genetics）を組み合わせたことから光遺伝学と呼ばれる。光遺伝学の開発により、特定の神経の活動を高い時間精度で正確に操作することが初めて可能となった。このことにより神経活動と行動発現とを直接繋げることが可能となった。
-　これまでの神経活動の操作手法としては、電気刺激による神経活動の活性化が主に用いられてきた。電気刺激とそれに伴う行動の変化からその[[電極]]近傍の神経の担う生理的役割が解析されてきていた。しかし、電気刺激は特異性が低く電極の近傍に存在する[[軸索]]や[[細胞体]]を非特異的に活性化してしまう。また、電気刺激では神経活動の抑制は不可能であった（図1）。一方、[[作動薬]]や[[拮抗薬]]等の局所投与などの薬理学的手法は、神経の活性化と抑制の両方が可能であるが、時間的精度が低いという欠点があった。さらに、特定の[[遺伝子欠損動物]]の行動解析では、発生過程における影響や他の神経による機能補償などが起こっている可能性を払拭できなかった。
+　これまでの神経活動の操作手法としては、電気刺激による神経活動の活性化が主に用いられてきた。電気刺激とそれに伴う行動の変化からその[[電極]]近傍の神経の担う生理的役割が解析されてきていた。しかし、電気刺激は特異性が低く電極の近傍に存在する[[軸索]]や[[細胞体]]を非特異的に活性化してしまう。また、脳深部電気刺激(Deep Brain Stimulation)では、局所の神経細胞を刺激していることが有効なのか、それとも抑制していることが有効なのかメカニズムが不明であった（図1）。一方、[[作動薬]]や[[拮抗薬]]等の局所投与などの薬理学的手法は、神経の活性化と抑制の両方が可能であるが、時間的精度が低いだけでなく、細胞特異性、シナプス特異性も制御できないという欠点があった。さらに、特定の[[遺伝子欠損動物]]の行動解析では、発生過程における影響や他の神経による機能補償などが起こっている可能性を払拭できなかった。
 　光遺伝学はこれらの欠点を全て補っており、マイクロ〜ミリ秒オーダーの神経活動の活性化あるいは抑制が可能であり、特定の神経活動のみを制御できる（図1）。これによって自由行動下の動物において特定の神経活動のみを制御することを可能にした。光遺伝学は脳神経科学分野の新手法として非常に大きなインパクトを与え、2010年にNature publishing groupによって全分野の中から、最も優れた研究手法としてMethod of the Yearに選定されていることからも、その影響力の大きさが窺える。
@@ 26行目: / 26行目: @@
 　[[wikipedia:ja:微生物|微生物]]から[[wikipedia:ja:ヒト|ヒト]]に至るまで、ほとんどの生物は光情報を受容することが出来る。そのため、多岐にわたる生物種において光受容を担う光活性化タンパク質が存在することが古くから知られていた。例えば、[[wikipedia:ja:塩湖|塩湖]]や[[wikipedia:ja:塩田|塩田]]などの高塩環境に生息している[[wikipedia:ja:古細菌|古細菌]]の一種である[[wikipedia:ja:高度好塩菌|高度好塩菌]]は微生物型[[ロドプシン]]である[[ハロロドプシン]]や[[wikipedia:ja:バクテリオロドプシン|バクテリオロドプシン]]を発現しており、これらによる光エネルギーを利用したポンプ作用によって[[wikipedia:ja:浸透圧|浸透圧]]調節を行っている。これらの微生物型ロドプシンは1970年代前半には既に発見されており、光によって活性化されるイオンポンプであることが報告されている<ref name=ref1><pubmed>4517939</pubmed></ref>。また、[[wikipedia:ja:緑藻類|緑藻類]][[wikipedia:ja:クラミドモナス|クラミドモナス]]は走光性や光驚動反応を示す。この応答は1980年代前半に光感覚器官である眼点に存在する微生物型ロドプシンを介した反応であると報告されている。その後、2002年から2003年にかけて、その微生物型ロドプシンである[[チャネルロドプシン1]](ChR1)および[[チャネルロドプシン2]](ChR2)が、それぞれ[[プロトンイオンチャネル]]および[[非選択的陽イオンチャネル]]を形成する[[イオンチャネル]]型の光活性化タンパク質であることが同定された。現在までに、光活性化タンパク質の中でイオンチャネル型であると同定されているのは、チャネルロドプシンのみである。
-　このような光活性化タンパク質を応用して光遺伝学という新手法が最初に報告されたのは2005年のことである。[[wikipedia:ja:スタンフォード大学|スタンフォード大学]]の[[wikipedia:Karl Deisseroth|Karl Deisseroth]]らの研究グループが、[[レンチウイルスベクター]]を用いてチャネルロドプシン2を[[海馬]]の[[培養神経細胞]]に発現させ、光によってその神経活動をミリ秒オーダーで活性化することに成功した<ref name=ref2><pubmed>16116447</pubmed></ref>。2006年には、東北大学のYawoらの研究グループが、[[シンドビスウイルスベクター]]を用いて生きたマウスの海馬神経細胞にチャネルロドプシン2を発現させ、光強度依存的に活動電位を誘導することに成功した<ref name=ref3><pubmed>16298005</pubmed></ref>。
+　光を使った最初の神経細胞の活動制御は、2002年にMiesenbockらによって報告されている。ショウジョウバエのロドプシンとその下流のGタンパク質αサブユニット、およびアレスチンを海馬培養神経細胞に発現させ、光照射による活動電位の誘導に成功している[2]。2005年には同じくMiesenbockらによって、ショウジョウバエの神経細胞にイオンチャネル型ATP受容体を導入し、光照射によりケージドATPをリリースするという手法を用いて行動を惹起することが報告されている[3]。光活性化タンパク質を応用して光遺伝学という新手法が最初に報告されたのは2005年のことである。[[wikipedia:ja:スタンフォード大学|スタンフォード大学]]の[[wikipedia:Karl Deisseroth|Karl Deisseroth]]らの研究グループが、[[レンチウイルスベクター]]を用いてチャネルロドプシン2を[[海馬]]の[[培養神経細胞]]に発現させ、光によってその神経活動をミリ秒オーダーで活性化することに成功した<ref name=ref2><pubmed>16116447</pubmed></ref>。2006年には、東北大学のYawoらの研究グループが、[[シンドビスウイルスベクター]]を用いて生きたマウスの海馬神経細胞にチャネルロドプシン2を発現させ、光強度依存的に活動電位を誘導することに成功した<ref name=ref3><pubmed>16298005</pubmed></ref>。
 　当初、微生物型ロドプシンは哺乳類の神経細胞では[[細胞膜]]に効率良く移行せず、細胞内で凝集体を作ったりして、十分量発現させることができなかった。しかし、使用コドンを哺乳類において翻訳効率の高いコドンに置換し、さらに[[wikipedia:ja:膜移行シグナル|膜移行シグナル]]を付加するといった改良により、光活性化タンパク質の膜へ移行が向上した<ref name=ref2 />。光遺伝学の脳神経科学分野への急速な広がりから、新たな光活性化タンパク質の探索、変異体の作製など、まさに日進月歩の先端技術となっている。