光遺伝学研究の進展

光遺伝オプトジェネティクス（optogenetics）は、近年急速に発展している光学、ソフトウェア制御、遺伝子操作技術、電気生理などの多学科交差の生物工学技術。その主な原理は、まず遺伝子操作技術を用いてChR 2、eBR、NaHR 3.0、ArchまたはOptoXRなどの光感受性遺伝子を神経系内の特定のタイプの細胞に転入して特殊なイオンチャネルまたはGPCRの発現を行うことである。光誘導イオンチャネルは異なる波長の光刺激下でそれぞれ陽イオンまたは陰イオンの通過に対して選択性を産生し、それによって細胞膜の両側の膜電位が変化し、細胞に対して選択的に興奮または抑制する目的を達成する。

光遺伝技術は*の高時空解像度と細胞タイプ特異性の2つの特徴を持ち、伝統的な手段が細胞または有機体の活動を制御する多くの欠点を克服し、ニューロンに非侵襲的な定位刺激操作を行うことができ、*神経科学分野の研究状況を変更し、神経科学に革命的な研究手段を提供した。光遺伝技術は将来、一連の中枢神経系疾患の新しい治療法を発展させる可能性がある。

光遺伝学技術の応用は2010年以降急速に発展し、応用研究分野は複数の古典的実験動物種系（ショウジョウバエ、線虫、マウス、ラット、毛猿及びカニクイザルなど）をカバーし、神経科学研究の多方面に関連し、神経ループを含む基礎研究、学習記憶研究、中毒性研究、運動障害、睡眠障害、パーキンソン病モデル、うつ病不安症動物モデルなどの応用があります。

光遺伝学技術の運用を行う過程で、科学者たちはまず適切な光感受性蛋白質を探しなければならない。次に、トランスフェクション、ウイルスコンダクタンス、トランスジェニック動物系の確立などの方法で感光性蛋白質の遺伝情報は標的細胞に伝達される、その後、科学者たちは制御可能性のデモを利用して、時間と空間からデモ光線の特定性を制御することによって、細胞活動のデモを実現した、その後、研究結果を読み取り、この過程で研究者は電極を用いて細胞膜内外の電圧を検出することによって感光性蛋白質の蛍光効果の変化を測定し、蛍光性バイオセンサを用いて異なる細胞の読み出し値を検出し、さらに行動試験によって動物全体に対する調整細胞活動の影響を評価することができる。

これに基づいて、光に対して遺伝技術を学んで最近得た進展について、編集者は読者に紹介するために棚卸しを行った。

1.Cell：大きな進展！ロドプシンを反転させることによる光遺伝学キットの拡大
ドイ：10.1016/j.cell.2018.09.026

新しい研究では、米ハワードヒューズ医学研究所などの研究機関の研究者が、ロドプシン（rhodopsin）と呼ばれる光感受性タンパク質を改造する新しい方法を発見した。細胞膜中でこのようなタンパク質を反転させることにより、彼らは異なる特性を持つツールを生成することができる。関連研究結果は2018年10月18日にCellジャーナルにオンラインで発表され、論文のタイトルは「Expanding the Optogenetics Toolkit by Topological Inversion of Rhodopsins」である。論文通信の著者はハワードヒューズ医学研究所のJoshua DudmanとAlla Karpovaである。この技術は光に応用できる遺伝科学（optogenetics）技術――ニューロンの活動を光で操作する技術――中のタンパク質の数が2倍に増加する。これらの新たに開発されたヘテロメラミンは、これらの研究者が脳回路を分析し、パーキンソン病の治療の背後にある神経科学を研究するのに役立つ新たな実験を展開できるようにした。

進化に触発され、ジェニファー・ブラウン、レザ・ベハナム、Luke Coddington、Gowan Tervoの指導の下で、これらの研究者は新たな視紫赤質を改造する補充技術を開発した。突然変異に加えて、遺伝子改組（gene reshuffling）によって異なる機能を持つタンパク質ドメインを結合させる遺伝子改組（gene reshuffling）の存在もタンパク質多様性を自然界に出現させる。科学者たちは、組換えは進化によって細胞膜中の配向が変化するタンパク質のほんの一部にとって極めて重要であると考えている。

これらの研究者が、リドプシンの端に新しいタンパク質を添加することによって組換えをシミュレートすると、反転が発生した。これは本当に予想外だった。各既存の改造された、または新たに発見されたロドプシンが反転時に新しい機能を得ることができれば、これは光用に使用される可能性がある遺伝技術におけるタンパク質ツールを2倍にする。彼らは細胞膜中の蛋白質の配向を変えることができるだけでなく、これらの新しい改造されたロドプシンが*で有用な新しい機能を持っていることを発見することができる。そのうちの1つであるFLInChR（Full Length Inversion of ChR、ChRの全長反転）と呼ばれるロドプシンは、最初はニューロンを活性化する役割を果たしていた。反転が発生すると、強力で迅速な抑制剤となり、新しい実験に使用することができます。

2.Science光遺伝学の重大な突破！ナノ粒子をアップコンバートして脳深部刺激を助力！あるいは神経疾患の治療を覆すだろう！
doi:10.1126/science.aaq1144;doi:10.1126/science.aar7379

日本理化学研究所（RIKEN）脳科学研究所のトーマス・マクヒュー研究チーム長とその同僚は現在、光非侵襲性を脳の奥に導入する新しい方法を見つけた。彼らが昨日「Science」に発表した記事では、アップコンバートを使用してナノメートル粒子（UCNPs）はレーザー光を頭蓋骨の奥に導入した。このナノメートル粒子は伝統的な光で遺伝到達できない深さを学んで近赤外光を吸収し、可視光に変換します。この方法は、脳の異なる領域のニューロン、サイレントてんかん、および記憶細胞の活性化に使用される。「ナノ粒子は私たちの光ファイバが到達できる深さを効果的に延長することができ、それによって光の遠隔送達を行うことができ、非侵襲的治療を実現することができる」とMcHugh氏は述べた。

ニューロンの活性化に加えて、UCNPsはてんかんマウスの病状を抑制するためにも使用することができる。研究者はマウスの海馬領域に緑色の光を放つナノ粒子を注射し、その後近赤外光で頭蓋骨表面に照射した。その結果、これらのマウスのてんかんニューロンは有効に沈黙された。内側核遮断と呼ばれる別の領域では、ナノ粒子が発する光がニューロンのtheta周期（重要な脳波）の同期を促進する。恐怖記憶を持つマウスの中で、研究者は発光可能なUCNPsを用いて海馬域でマウスの恐怖記憶を引き起こすことに成功した。これらのニューロン活性化、抑制、および記憶刺激効果は、ナノ粒子を注射したマウスにのみ観察された。

3.Science：光学遺伝学の発展を後押しする！赤紫質チャネル蛋白2の三次元構造を解析した
doi:10.1126/science.aan8862;ドイ：10.1126/science.aar2299

マゼンタチャネルタンパク質2（channelrhodopsin 2、ChR 2）は、光遺伝学技術（optogenetics）に広く用いられている膜タンパク質である。光遺伝学技術は比較的に新しい技術であり、光を利用して生きている有機体中のニューロンと筋肉細胞を操作することに関する。同様の方法は、聴力/視力喪失を部分的に逆転させ、筋肉収縮を制御するために使用されてきた。

ChR 2の構造を明らかにするために、ドイツ、フランス、ロシア、チェコの研究者はX線回折と呼ばれる分析技術を使用した。この技術は結晶形で存在するタンパク質試料の分析にのみ使用される。彼らは、膜から離れずにタンパク質が自由に移動することを可能にするいわゆる立方体脂質中間相（cubic lipid mesophase）でChR 2タンパク質結晶を培養した。彼らは培養したChR 2タンパク質結晶に波長約1オングストロームのX線を照射し、このタンパク質結晶におけるX線の回折状況を分析することで、ChR 2タンパク質の構造を解析することに成功した。関連研究結果は2017年11月24日のScienceジャーナルに発表され、論文のタイトルは「Structural insights into ion conduction by channelrhodopsin 2」である。

4.Hippocampus：「光遺伝学」療法または一部のアズハイマー病患者の記憶を回復することができる
doi:10.1002/hipo.22756

最近、コロンビア大学の研究者たちがHippocampus誌に光を通じて遺伝学んだ手段はアズハイマー病マウスの記憶を回復することができる。この発見は私たちのこの病気に対する理解を変えることができるかもしれない。

まず、著者らはマウスに光遺伝学的改造を行うことにより、記憶を保存する際に光色の蛍光を発光させ、記憶を再取得する際に赤色の蛍光を発光させる。その後、著者は受け入れた遺伝改造された野生型マウスは、アズハイマー病マウスとレモン臭の刺激を与えた後、電気刺激を加えて、この2つの記憶を関連付ける。1週間後、著者は再びマウスのレモン臭に刺激を与えた。その結果、野生型マウスは黄色と赤色の蛍光を同時に出現させることができ、また恐怖の表現が現れ、これは記憶を形成すると同時に記憶の再取得（recall）も発生したことを示した。しかし、アズハイマー病マウスの脳が発光する領域は明らかに異なり、脳が記憶を再取得する過程で乱れていることを示している。その後、研究者たちは青い光を利用してマウスの脳を刺激し、マウスのレモンのにおいや電気刺激に対する記憶を再び活性化させることができ、マウスが再びこのにおいを嗅いだときに戦慄の表現が現れた。

5.Cell：光遺伝学はネズミを殺し屋にする
ドイ：10.1016/j.cell.2016.12.027

どのネズミにも殺し屋が隠れている。研究者はすでに脳の中で猟食行為を制御する領域を見つけ、そのスイッチを制御する方法を見つけることに成功した。エール大学出身のIvan de Araujo博士とその同僚は、脳の中でマウスの狩猟行為を制御する2組の神経を発見し、1組は獲物を協調的に追いかけ、もう1組は首と下顎の筋肉を制御し、2組の神経は杏仁核の中にあり、杏仁核は人体が動作、感情、恐怖に関与する領域である。

これらの神経を修飾することで、レーザーによってこれらの神経を活性化することができます。この技術は光と呼ばれています遺伝したがって、研究チームはいつでもこれらの通路のスイッチを制御することができます。レーザーがオフになると、マウスはケージの周りを正常に歩き、レーザーがオンになると、マウスは道の中のあらゆるものを狂乱して攻撃する：生きたコオロギ、偽昆虫、さらには木の枝やキャップ。獲物に飛びかかり、爪で獲物を捕まえて引き裂いていく。

その後、研究者はそれぞれのグループの神経の機能を抑制しようと試みた。彼らが獲物を追跡する神経を抑制すると、ネズミの追跡速度はさらに遅くなるが、依然として引き裂かれる。逆に、噛む担当の神経を抑えると、ネズミは獲物を追うが、噛まない。

6.Oncotarget：光遺伝学を用いた腫瘍発生の制御
ドイ:10.18632/oncotarget.8036

新しい研究では、米タフズ大学の研究者がカエルモデルに基づいて、細胞間の電気信号を光で制御し、腫瘍の形成を阻止し、腫瘍の形成後に正常化させることを実証した。この研究は報道利用光遺伝生物電気信号を特異的に操作して癌遺伝子誘導の腫瘍形成を阻止し、癌遺伝子誘導の腫瘍退却。関連研究結果は2016年3月16日にOncotargetジャーナルにオンラインで発表され、論文のタイトルは「Use of genetically encoded，light-gated ion translocators to control tumorigenesis」である。

カエルは癌の基礎科学研究に用いられる良いモデル生物である。これはカエルと哺乳動物の腫瘍が多くの同じ特徴を持っているためであり、その中には急速な細胞分裂、組織破壊、血管成長増加、浸潤性、異常な内部正電圧を含む細胞が含まれる。細胞の外に比べて、ほとんどの健康な細胞は細胞内部でより大きな負電圧を維持している。細胞膜中のイオンチャネルのオンとオフは、電圧がより正（細胞を脱分極させる）またはより負（細胞を分極させる）になることができる。その他の点で正常な条件の下で、利用腫瘍の異常な生体電気信号の特徴を検出することができます。

7.Neuron：記憶を削除する？未来は本当に可能かもしれない
ドイ:10.1016/j.neuron.2014.09.037

最近、雑誌Neuronに掲載された研究論文の中で、カリフォルニア大学デービス校神経科学研究センターの研究者は光を利用してマウスの脳の特殊な記憶を取り除くことに成功した。この研究は、脳の異なる部分がどのように連携して働いて情景記憶を回復するメカニズムを明らかにするために一定の構想を提供した。

光遺伝科学（Optogenetics）は光を利用して神経細胞を研究する新しい技術であり、近年、科学者たちは急速に標準的な方法として脳機能の研究を行っている。記事の研究者Kazumasa Tanaka氏はこの技術を記憶回復などの研究に応用し、40年来、科学者たちは情景記憶の回復（特殊な場所で発生した特殊な事件などでも）が大脳皮質と大脳海馬体の間の協調活動に関連していると仮定している。この理論は情景記憶の回復過程で大脳皮質と海馬体の脳活動に関連して活性を再発生させるモデルを研究し、それによって個体が再びそれらの事件を経験し、海馬体が損傷されれば、患者は数十年の記憶を失うことになる。

記事では、研究者が遺伝修飾化されたマウスは、マウスの神経細胞が活性化されると、すべて緑色蛍光を発し、特殊なタンパク質を発現して神経細胞の光閉塞を促進することができ、研究者はマウスをケージに入れて訓練し、ケージの中でマウスは電気ショックを受け、通常は新しい環境の中にいるマウスは嗅覚を利用して環境に適応するが、電気ショックを行ってから新しい環境の中に置くと、恐怖反応の中にある。

8.Nature：光遺伝学ツールの新しい希望、光駆動ナトリウムイオンチャネルKR 2構造が解析される
doi:10.1038/nature14322

日本の科学者は定期刊行物「ネイチャー」に学術記事を発表し、彼らは光駆動ナトリウムイオンチャネルタンパク質KR 2構造を解析し、未来の新世代の光のために遺伝学習ツールは可能性を創造した。

多くの生物は光のエネルギーを吸収したり、光の情報を感知したりすることができ、ロドプシン分子に頼っている。この分子は7つのαヘリカル膜貫通蛋白質（視蛋白質）が共有結合によって1つの視黄アルデヒド分子に結合している。視蛋白の種類によって動物と微生物視蛋白に分けることができる。微生物のロドプシン機能は動物とは異なり、主にイオンチャネル、イオン輸送タンパク質、感光分子、またはキナーゼとして機能する。この微生物のロドプシンはますます注目されている。これは、イオンチャネルとイオンポンプタイプのロドプシンが多くの生体生物の神経細胞活動に利用でき、神経科学分野で非常に強力な光となっているためである遺伝道具を習う。

一般的に、シッフ塩基の正電荷を持つ水素イオンはすべての光イオンポンプのイオンチャネル中に位置し、陰イオンと中性分子の通過を阻止できると考えられている。KR 2構造の解析はまた、このイオンポンプがナトリウムイオンをどのように輸送するかという新しい問題を提起した。

9.Neuron：シカゴの科学者が光遺伝学技術の新たなブレークスルーを実現
ドイ：10.1016/j.neuron.2015.02.033

近年科学者がみかけいでんがく分野の研究が深まり、人々は体外刺激によって体内細胞、特にニューロン細胞の状態を制御することを望んできた。この分野には黄斑病変などの遺伝病の治療など、広い応用の見通しがある。これをもとに、光遺伝学などの学科が次々と建てられている。しかし、これまでは、この目標を達成するために、研究者はニューロンの遺伝子改造を余儀なくされてきた。これもこの技術の普及を大きく阻害している。

シカゴ大学とイリノイ大学シカゴ校から来た研究者たちは、この分野で突破を果たした。研究者は遠赤外光による熱を利用して正常ニューロン細胞の正常な生命活動を制御した。正常なニューロン細胞で感光性蛋白質を発現する従来のやり方とは異なり、シカゴ出身の科学者たちは特定のニューロンを特定するために金ナノ粒子を使用することを選んだ。金ナノ粒子の特異性の問題を解決するために、研究者はサソリ神経毒素Ts 1を金ナノ粒子に接続した。Ts 1は、ニューロン細胞表面のナトリウムイオンチャネルを識別することによってニューロン細胞を標的に識別することができる。これも人間がニューロンを改造していないことです遺伝特性に基づいて、光制御ニューロン活動の目的を実現する。しかし、この研究はまだ初期段階であり、研究者は同時にTs 1がニューロン細胞に毒性がある可能性があると述べた。この研究はニューロン誌に発表された。

10.Nat Methods：光増感剤制御細胞標的
ドイ：10.1038/nmeth.3735

雑誌Nature Methodsに発表された研究報告書によると、米カーネギーメロン大学の研究者は光遺伝学的な光増感剤の再設計は、疾患発生における特定の細胞とタンパク質の役割を理解するのに役立つ蛍光プローブを開発し、後期に癌または他の疾患を開発するための標的療法にも希望を提供する。

光遺伝学は光を利用して生体を制御する生物学的過程であり、研究者は通常、光活性化された成分を生体の遺伝コードに再プログラムすることで光制御細胞の過程を実現し、これらの成分が光に曝されると、一部の生体組織が*異なる機能を発揮することを促進する。研究者は10年近くをかけて蛍光団活性化タンパク質（FAPs：fluorogen-activating proteins）という蛍光プローブを開発した。これは生細胞中でリアルタイムにタンパク質の活性を監視するために用いられ、蛍光団活性化タンパク質は通常細胞中で行われる遺伝性的に表現され、蛍光発生素と同名の蛍光色素が接触すると、複合体が発光し、科学者たちが観察し追跡することができるようになる。

研究者のBruchez氏は、光を開発するために遺伝学的ラベル、本文では蛍光染料に対して工学化操作を行い、それが発光するだけでなく、単線状酸素（Singlet Oxygen）を生成することができるようにした。単線状酸素は酸素の毒性形式であり、蛍光団活性化タンパク質を結合し、光に暴露すると、蛍光団活性化タンパク質及び光増感剤活性化方法（FAP-TAPS）を標的にすることで、科学者たちは標識されたタンパク質をはっきりと見ることができ、同時にこれらのタンパク質の活性を選択的に抑制することができる。（バイオバレー）