2022/02/03

新規光駆動型イオンチャネルの構造解明と高性能分子ツールの創出

~神経科学に光を当てる~

 

東京大学大学院総合文化研究科

東京大学大学院理学系研究科

東京大学物性研究所

京都大学

科学技術振興機構

日本医療研究開発機構

 

概要

光遺伝学は特定の神経細胞の活動を「光」によって制御する革新的技術であり、今や神経科学において必須の技術となっています。光遺伝学には光受容タンパク質であるチャネルロドプシンがツールとして利用されており、日々新規の光遺伝学ツールが発見、改良されています。

近年自然界から発見されたチャネルロドプシンであるChRmineは、高いイオン電流、高い光感受性、長波長光によって活性化されるという光遺伝学ツールとして非常に強力な性能を有しているだけでなく、機能はチャネルロドプシンであるにも関わらず、アミノ酸配列はポンプ型ロドプシンと近いという興味深い特徴を有していました。しかしChRmineがなぜイオンチャネルとして働くことができるのかは不明でした。

今回、東京大学大学院総合文化研究科の岸孝一郎、加藤英明准教授らのグループは、クライオ電子顕微鏡を用いてChRmineの立体構造を決定することに成功しました。その結果、ChRmineは大域的にはポンプ型と良く似ている一方、局所的には従来のポンプ型、チャネル型には見られない構造的特徴を複数有しており、このことがChRmineのユニークな分子機能の決定に寄与しているということがわかりました。さらに得られた立体構造の知見から、長波長光によって活性化されるというChRmineの性質をさらに向上させた改変型ChRmineを開発し、3色の可視光を利用して複数の神経細胞集団を同時に光操作・計測するという、より発展的な光遺伝学実験を可能にしました。

本研究成果は、多様なチャネルロドプシンがイオンチャネルとして機能する仕組みに対する理解を深めたというだけでなく、新規ロドプシンの設計や創製に対する道標、そして神経科学分野へ強力なツールを提供したという点で、神経科学、医療の発展につながることが期待されます。

本研究成果は、2022年2月2日(米国東部標準時)に米国科学誌「Cell」のオンライン版に掲載されました。

図:ChRmineとポンプ型ロドプシン、チャネルロドプシンの全体構造。従来のチャネルロドプシンは2量体を形成するのに対し、ChRmine、ポンプ型ロドプシンは3量体を形成する。

 

なお、本研究成果には、生物科学専攻の草木迫 司 助教が参加しています。

詳細については、東京大学大学院総合文化研究科・教養学部  のホームページをご覧ください。

 

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―