「光遺伝学」の版間の差分

　微生物からヒトに至るまで、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、塩湖や塩田などの高塩環境に生息している古細菌の一種である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></pubmed></ref>。また、緑藻類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。スタンフォード大学の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></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></pubmed></ref>。

　哺乳類の脳には十分量のレチナールが存在しているため、新たにレチナールを添加する必要はなく、光活性化タンパク質を発現させるだけで機能させることができる。しかし、無脊椎動物（ショウジョウバエや線虫）では、レチナールを加えないと十分な光応答が得られないと報告されている<ref name=ref4><pubmed></pubmed></ref> <ref name=ref5><pubmed></pubmed></ref>。

　緑藻類クラミドモナスの眼点から同定された、唯一の光活性化非選択的陽イオンチャネルである。470 nmの青色光照射によって最も強く活性化される（図3）。青色光を受容すると非選択的陽イオンチャネルが開口し、その結果ChR2発現細胞は脱分極応答を示す（図2）。光照射からチャネルが開口するまでの反応時間(τon)は非常に早く、30マイクロ秒以内である。チャネルのコンダクタンスは40 fS程度と考えられており、他の電位依存性チャネルと比較しても非常に小さい。欠点としては、脱感作しやすく一度活性化されると光応答が完全に戻るまでに25秒程要する<ref name=ref6><pubmed></pubmed></ref>。より長波長である570 nmの光を照射することで、不活性状態からの回復を促すことができる。

　また、他の欠点として非常に大量に細胞に発現させると細胞内で凝集体を形成して光応答が見られなくなる。長らくイオンが通過するポア領域が分かっていなかったが、2012年に結晶構造解析からChR2が二量体を形成していること、さらにイオンは形成した二量体の境界面では無く、単量体の中を通っていることが報告された<ref name=ref7><pubmed></pubmed></ref>。

　450 nmの青色光照射によって最も強く活性化される。野生型ChR2と比較して、僅かに脱感作しにくくなり、光感受性も若干向上している。ただし、光照射を止めてからチャネルが閉じるまでの反応時間(τoff)が少し延長しているために、時間的精度はChR2に劣る<ref name=ref8><pubmed></pubmed></ref>。

　ChR2と比較して、光感受性が格段に向上しているが（約100倍高感度）、光応答電流は若干小さくなっている。これらのチャネルは、光照射開始からチャネルが開くまでの反応時間(τon)が10ミリ秒前後と僅かに遅くなっているが、光照射を止めてからチャネルが閉じるまでの反応時間(τoff)が非常に遅くなっている（2秒から100秒）のが最大の特徴である。しかし、550 nm前後の緑色光、もしくは橙色光照射により、チャネルを瞬時に閉じることができる。つまり、青色パルス光を一度照射するだけで、脱分極状態を長時間持続させ、緑色（または橙色）パルス光を照射することで膜電位を元に戻すことが出来る。これらの特徴から、長時間の持続的な脱分極に適している<ref name=ref9><pubmed></pubmed></ref>。

　490 nmの青色光照射によって最も強く活性化される。チャネルの光反応時間が非常に早くなり改善されている。その一方、光応答電流は減少している。光反応速度が上がった分、高頻度な光刺激に適しており、光刺激による活動電位の誘導が200Hz程度まで可能となっている<ref name=ref10><pubmed></pubmed></ref>。

　ChR2の膜貫通ドメインをChR1の膜貫通ドメインと置換し6種類のキメラタンパク質を作製し、それぞれの膜移行、光反応時間、光感受性、光応答電流等の解析を行った[11]。その中でN末端から第5膜貫通ドメインまでがChR1で、それ以降C末端までがChR2で構成されるキメラチャネル（ChEF）、およびChEF/I170V（ChIEF）では、哺乳類細胞における発現と膜移行は野生型ChR2よりも向上していた。ChEFは470 nmの青色光照射によって、一方、ChIEFは450 nmの青色光照射によって最も強く活性化される。ChR2と比較して脱感作しにくくなっている。光感受性はChR2と比較して劣っているものの、光応答電流はほとんど変わらない。ChIEFはミリ秒オーダーの光反応時間を持ち、さらに脱感作しにくい性質を持つことから、高頻度、繰り返し、または持続的な光刺激に対しても適している[8]。

　また、ChR1のうち第6膜貫通ドメインと第7膜貫通ドメインの後半部分のみがChR2の配列で構成されるキメラチャネルは、520nmの緑色光照射によって最も強く活性化されるため、チャネルロドプシングリーンレシーバー（ChRGR）と呼ばれている。ChRGRは、ChR2と比較して光反応時間、光感受性が上がり、脱感作もしにくくなっている。一度活性化されてから1.3秒で光応答が完全に戻る[12]。そのため、高頻度な光刺激に適している。また、青色光よりも長波長である緑色光で最も活性されるため、個体において深い組織への照射効率が上がる利点がある。

　群体を形成する藻類の一種であるボルボックスから同定された光活性型非選択的陽イオンチャネルである。ChR2と異なり、540 nmの緑色光照射によって最も活性化される。さらに長波長側の黄色光照射によっても十分に活性化される長波長シフト型ChRである。ただし、400 nmの短波長でも活性化される性質を持つ。欠点としては、光反応時間が遅いため、時間的精度が低い。また、現時点では発現レベルが不十分であり、さらに膜移行が難しいことが挙げられている[13]。

　古細菌高度好塩菌（Natronomas pharaonis）から同定された光活性化クロライドイオンポンプである。590 nmの黄色光照射によって最も活性化される（図3）。黄色光を受容すると内蔵ポンプが駆動し、細胞外から細胞内にクロライドイオンを流入させ、結果として過分極応答を示す（図2）。ハロロドプシンが神経活動抑制分子として最初に光遺伝学に導入されたのは2007年のことである[14]。

　ハロロドプシンもChR2と同様に、哺乳類の神経細胞では細胞膜への移行効率が悪く、細胞内で凝集体を作ったりして、うまく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、さらに膜移行シグナルを付加することで、細胞膜への移行を促進し、哺乳類神経細胞を光によって抑制することに成功した[14]。しかしながら、ハロロドプシンも脱感作しやすい性質を持つため、長時間の刺激や繰り返し刺激には適さない。

　古細菌、真正細菌、植物、菌類のゲノムデータから、微生物型ロドプシンの相同性検索により同定された光活性化プロトンポンプである。古細菌高度好塩菌の一種であるHalorubrum sodomense由来であり、550 nmの緑色光照射によって最も強く活性化される（図3）。緑色光を受容するとポンプが駆動し、細胞内から細胞外へプロトンイオンが排出される。その結果、細胞膜電位は過分極する（図2）。ハロロドプシンと比較して、光感受性が高く、光応答電流が大きい。また脱感作しにくい性質を持つため、長時間刺激や繰り返し刺激に適している[15]。

　アーキロドプシン3の配列をもとに、Halorubrum属のゲノムデータから相同性検索によりHalorubrum TP009系統から同定された。アーキロドプシンTもプロトンポンプを形成しており、緑色光を受容するとポンプが駆動し、細胞膜電位は過分極を示す。アーキロドプシン3と比較して、20 mW/mm2以下の光強度での光応答電流が大きく、光感受性も3倍程度良い。570 nmの緑色光照射によって最も強く活性化される[16]。

　アーキロドプシン3と同じ方法により見つかった、光活性化プロトンポンプである。子嚢菌の一種であるLeptosphaeria maculans 由来であり、550 nmの緑色光照射によって最も強く活性化される[15]。

　光照射によって細胞内シグナル伝達経路を制御するために作られた変異体である。ロドプシンの細胞内ループをGタンパク質共役型受容体であるアドレナリン受容体の細胞内ループに置き換えたキメラタンパク質を作製した。α1受容体はGq共役型受容体なので、ホスホリパーゼCを活性化し、細胞内カルシウム濃度を増加させる（opto-α1AR）。したがって、青色光を照射すると、opto-α1AR発現細胞のGqシグナル経路を介して、神経細胞を活性化することができる[17]。

　また、別のグループにより、Gi共役型受容体である5HT1A受容体とロドプシンのキメラタンパク質を神経細胞に発現させ、光照射により、Giシグナル経路の下流に存在するGタンパク質共役型内向き整流性カリウムチャネル（G-protein-coupled inward rectifier potassium channel, GIRK）を介して細胞を抑制することに成功している[18]。

　鞭毛虫の一群であるユーグレナもクラミドモナスと同様に走行性や光驚動反応を示す。この応答は、感光点に存在する光活性化アデニル酸シクラーゼを介した反応であることが2002年に発見されている。光活性化アデニル酸シクラーゼは、青色光照射によって最も強く活性化され、細胞内cAMPの産生が促進される。産生されたcAMPによってサイクリックヌクレオチド感受性チャネルが開口し、細胞を活性化することができる[19]。

　メラノプシンは網膜の神経節細胞で同定された7回膜貫通型Gタンパク質共役型受容体である。メラノプシンを発現する一部の網膜神経節細胞は体内時計の中枢である視交叉上核に直接投射しており、サーカディアンリズムや瞳孔反射を担っている。メラノプシンは480 nmの青色光照射によって最も強く活性化される。Gqカップリング受容体であるため、いったんメラノプシンが活性化すると、下流に存在するホスホリパーゼCの活性化を介して非選択的陽イオンチャネル（TRPCチャネル）を開口すると考えられている。培養細胞にメラノプシンとTRPC3チャネルを共発現させた系では、青色光照射により膜電位を脱分極させることに成功している[20]。特徴としては、光感受性が非常に高く、一度光刺激を行うと細胞内シグナル伝達系を介するために数分に渡り持続的に活性化できる。

|+'''表．活性化に使われる光活性化タンパク質のチャネル特性'''<br>脱感作レベルは定常電流をピーク電流で割った値。[21]より一部改変して引用。