「Förster共鳴エネルギー移動」の版間の差分

FRETは、1946年、Theodor Försterによって報告された現象である<ref><pubmed>22352636</pubmed></ref>。Donor となる蛍光体の蛍光スペクトルとAcceptorとなる蛍光体の励起スペクトルに重なりがあるときに、DonorからAcceptorへのエネルギー移動が起きる。蛍光を伴わないエネルギー移動であることから、FRETは、一般的にFluorescence resonance energy transferとして用いられるがFörster resonance energy transferが正しい。GFPの改良に伴うバイオイメージングの発展によって、FRETを基にした細胞内シグナル伝達分子の可視化検出などに用いられ、脳神経研究においても、細胞、スライスなどの組織、個体レベルで応用されている。

図1のヤブロンスキーダイヤグラムのように、励起光により、Donorの蛍光団の電子が基底状態からエネルギー準位が上の励起状態に励起される。励起された電子は、回転エネルギーや振動エネルギーを失いながら、励起状態の底まで行き着く。その後、基底状態に戻る際に、蛍光としてエネルギーを放出する。蛍光の減少は、速度定数をkとして、図2のように表すことができる。今、Donorの近傍（5nm位)に、Donorの蛍光スペクトルと重なる励起スペクトルを持ったAcceptorが存在するとFRETが起きる。FRETの起きる速度をKtとすると、Donorの蛍光速度は、K-Ktとなり、Donorの蛍光強度の減少、蛍光寿命の減少、Acceptorの蛍光の増加などが観察される。  

<br> GFPのcolor variant、CFPおよびYFPなどの開発以来、FRETは積極的に細胞内イメージングに取り入れられ始めた。1997年、宮脇、Tsienらによって、Calcium indicator, Cameleonが開発され<ref><pubmed>9278050</pubmed></ref>、さらに、cAMP, cGMP<ref><pubmed>11140757</pubmed></ref>, リン酸化を初めとした細胞内シグナル伝達の重要なターゲット分子のFRETプローブが次々と作製され、細胞内の活性の局在などの解明に大きく貢献してきた。

脳神経分野においては、林らが、2000年初期に記憶の最小単位分子と言われているカルシウムカルモデュリンキナーゼII (CaMKII)の活性化プローブ開発し分散培養系にてCaMkIIの可視化に成功した<ref><pubmed>15788767</pubmed></ref>。

1990年代後半からSvobodaらによって、2光子顕微鏡が脳神経科学に導入され、神経回路ネットワークを保持したスライスおよび個体の生きた脳において、神経活動を観察可能になった。岡本、林らは、神経回路ネットワークを連結する部位、シナプスのシナプス後膜（スパイン）において、その形態を制御するactinの重合を可視化するためのFRETプローブを開発した<ref><pubmed>15361876</pubmed></ref>。また、ほぼ同時期において、脳のスライスにおいては、波長依存的な蛍光の吸収が生じるため、DonorとAcceptorの2波長を測定する蛍光強度比を測定するよりも、蛍光の散乱、吸収によって変化しない蛍光寿命測定法が導入された。安田、Svobodaらは、蛍光寿命測定を基に、スパインの構造的変化を誘導するシグナル伝達分子の活性化の変化を観察することに成功している<ref><pubmed>19295602</pubmed></ref><ref><pubmed>18556515</pubmed></ref><ref><pubmed>21423166</pubmed></ref>。  

個体においてもFRETが導入され、神経回路ネットワークにおけるシナプスの役割を解明する目的で、フェレットの大脳皮質視覚野にCaMKIIプローブを発現し、片眼剥奪によって、神経回路ネットワークに変化を起こした時のCaMKIIの活性化の変化を観測している<ref><pubmed>22160721</pubmed></ref>。また、神経活動をモニターする目的で、Knöfelらは、膜電位プローブVSFP2.3/2.42を開発し、マウスのヒゲ刺激の入力先であるbarrel cortexでの入力特異的な神経の活性化を観察している。  

また、病態との関係では、神経細胞内のカルシウム濃度を測定するために、オレゴングリーンの蛍光寿命の変化から、カルシウム濃度を測定し、アストロサイトでのカルシウム濃度が、アルツハイマー様マウスと正常マウスで違うことが報告されている<ref><pubmed>19251629</pubmed></ref>。  

Homo-FRETも応用されている。例として、CaMKIIは、12量体を形成しているが、異方性の変化を基に、その構造中にdimerの単位が存在し、活性化に伴うdimer同士の位置関係が変化することが明らかにされている<ref><pubmed>19339497</pubmed></ref>。

脳研究は、生きたままの状態の脳の神経細胞の活動を、広範囲で、より深部で観察したり、逆に超微細構造を観察する方向に移るであろう。現在、FRETを基にしたin vivoイメージングは、応答の低さ、蛍光の弱さなどの難点はあるものの、蛍光タンパク質の蛍光強度や顕微鏡の性能の改良は日進月歩であり改善されていくであろう。また、神経活動に必要なシグナル伝達を同時に観察するために、マルチカラーイメージングの試みもなされるであろう。その際には、1つの蛍光の寿命を観察するFLIM測定が適している。