光遗伝学は特定の神経细胞の活动を「光」によって制御する革新的技术であり、今や神経科学において必须の技术となっています。光遗伝学には光受容タンパク质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、日々新规の光遗伝学ツールが発见、改良されています。
近年自然界から発见されたチャネルロドプシンである颁丑搁尘颈苍别は、高いイオン电流、高い光感受性、长波长光によって活性化されるという光遗伝学ツールとして非常に强力な性能を有しているだけでなく、机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兴味深い特徴を有していました。しかし颁丑搁尘颈苍别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、野村紀通 医学研究科准教授、岩田想 同教授、岸孝一郎 東京大学修士課程学生、加藤英明 同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机能する仕组みに対する理解を深めたというだけでなく、新规ロドプシンの设计や创製に対する道标、そして神経科学分野へ强力なツールを提供したという点で、神経科学、医疗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3日に、国际学术誌「颁别濒濒」のオンライン版に掲载されました。
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Koichiro E. Kishi, Yoon Seok Kim, Masahiro Fukuda, Masatoshi Inoue, Tsukasa Kusakizako, Peter Y. Wang, Charu Ramakrishnan, Eamon F.X. Byrne, Elina Thadhani, Joseph M. Paggi, Toshiki E. Matsui, Keitaro Yamashita, Takashi Nagata, Masae Konno, Sean Quirin, Maisie Lo, Tyler Benster, Tomoko Uemura, Kehong Liu, Mikihiro Shibata, Norimichi Nomura, So Iwata, Osamu Nureki, Ron O. Dror, Keiichi Inoue, Karl Deisseroth, Hideaki E. Kato (2022). Structural basis for channel conduction in the pump-like channelrhodopsin ChRmine, Cell, 185(4), 672-689:e23.
