成功增加视紫质（一种利用光传输离子的蛋白质）的吸收波长 - 阐明大脑深处神经网络的技术 -

Keiichi Inoue（东京大学固体物理研究所副教授）
Hideki Kandori（V体育工学研究生院生命与应用化学系教授）

　　
◆通过修改视紫红质（一种用于脑科学研究的蛋白质，利用光传输离子）的氨基酸，我们实现了前所未有的更长吸收波长。

◆我们已经实现了一种生物分子工具，可以利用生物组织散射较少的长波长光来研究大脑深处的神经网络。
◆未来，预计这项技术将被用于开发更多的分子工具并阐明与精神障碍有关的大脑神经网络。

　东京大学固体物理研究所的井上敬一副教授和V体育工学研究生院生命与应用化学系的神鸟英树教授与意大利锡耶纳大学等人进行国际合作，通过修饰视紫红质的氨基酸，成功地创造了一种新的人工视紫红质蛋白，可以用比以前更长波长的光进行操纵。
　视紫红质是一种利用光能发挥作用的蛋白质，在动物和微生物等生物体中执行诸如传输视觉信息和利用光运输离子等任务。近年来，它因其在光遗传学技术（利用光研究大脑神经回路）以及视觉再生等医学应用中的应用而引起了广泛关注。
　然而，包括人类在内的动物的活体组织会强烈散射可见光，因此很难将光引入深层组织。作为回应，该研究小组创造了视紫红质，它通过突变氨基酸来吸收活体组织散射较少的长波长光并与之反应。这使得光学操纵引入深层脑组织的视紫红质成为可能，从而可以对迄今为止难以研究的脑神经网络进行光遗传学研究。人们还希望这将有助于阐明抑郁症等精神疾病的治疗方法。
　

■ 视紫红质，一种利用光能传输离子的蛋白质
　包括人类在内的动物可以利用眼睛视网膜中的细胞来捕捉光线并识别物体的形状和颜色。在这种情况下，一种叫做视紫红质的蛋白质具有吸收光线并将视觉信息传输到大脑的作用。
　另一方面，生物体细胞内存在氢离子（H+）、钠离子（Na+）、氯离子（Cl-）等各种离子。当细胞内外的这些离子之间出现浓度差时，细胞内就会产生电能，用于细胞生存所需的各种活动。生活在海洋、湖泊和河流中的细菌具有微生物类型的视紫红质（注 1），它利用光能在细胞膜上传输各种离子。之前的研究发现了视紫红质，它像泵一样输送海水中丰富的H+和Cl-（注2），2013年，Kandori教授和Inoue副教授等人研究了视紫红质。据报道，自然界中存在一种新的泵送 Na+ 的视紫红质（图 1）。例如，当视紫红质运输离子时，视紫红质充当H+泵，利用光能将H+运输到细胞外部，从而在细胞内外产生H+浓度差异。利用这种离子浓度差异作为驱动力，细胞内产生更大的电化学能量，并合成细胞活动所需的物质，例如三磷酸腺苷（ATP）。

■ 视紫红质和光遗传学
　近年来，光遗传学（opto Genetics）技术（注3），利用基因工程技术，将微生物视紫红质导入构成小鼠、斑马鱼等动物大脑神经网络的特定神经细胞中，通过视紫红质进行离子传输，利用光来自由操纵神经细胞的兴奋和抑制（图2左）。利用这项技术，研究大脑神经网络中神经元之间的连接，以及涉及各种类型神经元的行为、情绪、思想和精神疾病已经成为可能。然而，由于诸如大脑之类的活体组织具有强烈散射光的特性，因此很难使用传统视紫红质操作所需的相对较短波长的光（例如蓝色和绿色）来操纵大脑深处的光。因此，人们希望开发出可以通过黄光或红光（较长波长的光）操纵的视紫红质（图 2，右）。

井上副教授和神通教授等人。重点关注视网膜（注4），它存在于所有视紫红质中，具有接收光的作用。视网膜周围的氨基酸（注 5）的模式因蛋白质而异，这决定了吸收波长。因此，Inoue副教授和Kandori教授等人。改变了视紫红质（一种传输 Na+ 的 Na+ 泵类型）中视网膜附近氨基酸的化学性质，试图控制视网膜的电子状态并设计一种吸收更长波长光的分子（图 3，左）。结果，他们成功地创造了一种前所未有的分子，该分子由波长比野生型 Na+ 泵视紫红质长 40 nm 的光驱动（图 3，右）。尽管吸收波长变化很大，但离子传输能力与野生型Na+泵相当，表明它是一种功能极其强大的分子工具。
此外，Inoue副教授和Kandori教授等人。利用红外光谱和计算机模拟阐明了长波长吸收Na+泵视紫红质的分子结构和长波长吸收机制。此外，这项研究发现的突变引起的视网膜吸收波长的变化也出现在自然界中存在的特定细菌中，这为自然界中发生的蛋白质进化提供了新的认识。

　该结果中发现的由氨基酸突变引起的吸收波长的延长可以应用于除Na+泵型视紫红质以外的许多视紫红质。预计这项技术将来将用于开发更好的分子工具，并利用光遗传学推进脑科学研究。

这项研究的成果得到了文部科学省的科学研究补助金（基础研究（A）和基础研究（B））、日本科学技术振兴机构（战略创意研究促进项目 PRESTO“光的终极控制和积极利用以及新领域的开发”和 CREST“利用光的生物功能的时空控制技术的开发和应用”的支持光的特性”）。

杂志名称：《Nature Communications》（10卷，1993年（2019年））
论文标题：光驱动钠泵视紫红质的红移突变
作者：Keiichi Inoue、Maria del Carmen Marin、Sahoko Tomida、Ryoko Nakamura、
中岛雄太、马西莫·奥利乌奇、神取英树*
DOI 号：101038/s41467-019-10000-x
摘要网址：

东京大学固体物理研究所
井上敬一副教授
电话：04-7136-3230
电子邮件：井上[at]isspu-tokyoacjp

V体育工学研究科生命科学与应用化学系
神取英树教授
电话：052-735-5207
电子邮件：kandori[at]nitechacjp

东京大学固体物理研究所公共关系办公室
电话：04-7136-3207
电子邮件：按[at]isspu-tokyoacjp

V体育企划公关科

电话：052-735-5647
电子邮件：pr[at]admnitechacjp

日本科学技术振兴机构公关部

电话：03-5214-8404
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中村美纪
日本科学技术振兴机构战略研究推进部生命创新小组
电话：03-3512-3525
电子邮件：急速[at]jstgojp

*请将每个 [at] 替换为 @。

(注1)微生物视紫质
　一种利用光能发挥作用的蛋白质，主要由细菌等单细胞微生物所拥有。在细菌细胞内部，它存在于包围细胞外部的细胞膜中，具有将H+、Cl-、Na+等离子转运进出细胞的功能。近年来，它被广泛应用于光遗传学，即利用光来操纵动物神经细胞。

(注2)离子泵

　它是一种蛋白质，具有将离子转运进出所有生物（包括人类）细胞的功能，并且是许多药物发现开发的目标。离子泵具有使用各种能量逆浓度梯度输送离子的功能，但视紫红质被归类为使用光能输送离子的离子泵的一种。

（注3）光遗传学
　这是一个在遗传学上加上前缀opto（光）的词，由斯坦福大学的Karl Deisseroth博士于2006年首次使用。该术语最初用于指“通过利用遗传方法在目标神经细胞中表达光驱动离子转运蛋白并用光激活它来激发或抑制神经元的实验技术和领域。”目前，该术语也适用于神经细胞以外的细胞以及光驱动离子以外的光响应蛋白运输者。 （在本新闻稿中，它的使用含义接近原始含义）

（注4）视网膜
　用于吸收光的染料分子结合在光吸收蛋白质内部。这种吸收光的色素分子被称为发色团，就视紫红质而言，它是维生素A的衍生物视黄醛。视黄醛的吸收波长根据周围氨基酸的类型而变化，在本研究中，通过使用新型氨基酸突变，我们成功地将视紫红质的吸收波长比以前长​​了40纳米。

(注5)氨基酸残基
　组成蛋白质的生物分子。蛋白质分子是由20种氨基酸残基连接成直链而构成的。