发现对靛蓝光有反应的视紫红质通道 ~有望作为新的光遗传学工具应用~

演示要点

〇〇 关于视紫红质通道蛋白（一种在光照下传输离子的蛋白质），我们发现了一种可与短波长光（靛蓝光）配合使用的新型视紫红质通道蛋白。
〇〇我们发现这种新的视紫红质可以有效地运输钙离子。
〇​通过将该分子应用于光遗传学研究，有望阐明抑郁症、阿尔茨海默病等涉及的脑神经机制

总结

　大学光生物技术研究中心的Hideki Kandori教授、特聘副教授Satoshi Tsunoda、特聘助理教授Yoko Hososhima、大学工程研究生院的Rintaro Tashiro先生（生命与应用化学系）以及来自印度Jawaharu的其他人。通过与乡村尼赫鲁大学的 Sunil Kateriya 教授的国际联合研究，我们发现了一种与短波长光（靛蓝光）（一种称为 Klebsormidium 的藻类）配合使用的离子通道分子（通道视紫红质）。我是从 nitens 那里发现的）。
　视紫红质是一种利用光能发挥作用的蛋白质，在动物和微生物等活体中执行诸如传输视觉信息和利用光运输离子等任务。其中，藻类所拥有的视紫红质通道分子作为光开关离子通道，负责在细胞内外运输离子。视紫红质因其在光遗传学技术（研究大脑神经回路）以及视觉再生等医学应用中的应用而受到广泛关注。迄今为止，大多数已知的视紫红质通道蛋白都是在暴露于蓝绿光（约 470 nm）或黄绿光（约 540 nm）时起作用的分子。新发现的视紫红质通道蛋白（称为 KnChR）被发现在 430 nm 的短波长（靛蓝光）下发挥作用（图 1）。
　此外，我们发现这种 KnChR 比传统视紫红质通道更有选择性地转运钙离子。
　未来，利用靛蓝光对神经网络进行光遗传学研究将成为可能。预计这将有助于阐明抑郁症、心脏病等精神疾病和肌营养不良症等肌肉疾病的机制，并开发新的治疗方法（图2）。

　该研究成果发表在英国在线科学杂志

研究背景

　我们的眼睛如何接收来自外界的视觉信息？眼睛视网膜中存在一种叫做视紫红质的蛋白质，在此过程中发挥着重要作用。这种蛋白质接收进入眼睛的光，将其转换成电信号，并将其作为视觉信息传输到大脑。
另一方面，绿藻家族的一些成员，例如微生物衣藻和团藻，具有像眼睛一样的器官。这是因为来自外部的光学信息对于这些微生物的生存很重要。衣藻和团藻的细胞内有称为“眼斑”的器官，使它们能够感知光。该眼点中也存在视紫红质。然而，在微生物中，视紫红质的功能与动物中的视紫红质不同。当微生物视紫红质接受光时，它将阳离子和阴离子从细胞外部输送到内部，或从内部输送到外部。特别是衣藻所拥有的视紫红质被称为通道视紫红质，它通过输送阳离子来改变细胞内外的电平衡。衣藻通道视紫红质对蓝绿光 (470 nm) 的反应最好。另一方面，Volvox 的通道视紫红质对黄绿光（550 nm）有反应。
视紫红质可以人工引入动物细胞，如神经细胞和肌肉细胞。然后，当施加光时，离子被带入细胞，产生称为“动作电位”的电脉冲，并使这些细胞在光的作用下工作。这种方法称为光遗传学。通过使用光遗传学，可以阐明复杂的大脑神经网络之间的连接以及网络之间的信息如何交换。它还被应用于研究大脑记忆形成机制以及阿尔茨海默病和抑郁症等疾病。
　另一方面，人们发现，将视紫红质通道蛋白引入心肌等肌肉细胞中，可以根据光照射的时间来控制心跳节奏，其在心脏病研究中的应用也令人期待。

研究内容/结果

　Klebsormidium nitens 是一种多细胞藻类，生活在淡水到咸水中，据说是进化上最接近陆地植物的藻类。我们专注于这种藻类的基因组。然后，他们意识到基因组中存在与衣藻通道视紫红质基因相似的基因。因此，我们将该基因命名为KnChR并试图研究其功能。通过将 KnChR 引入哺乳动物细胞并使用膜片钳技术，我们发现 KnChR 也是一种视紫红质通道蛋白，可响应光传输阳离子。经过仔细检查，KnChR 对靛蓝光（430 nm）和传输阳离子的反应最好。这些结果表明，KnChR 是迄今为止已知的视紫质通道蛋白中对最短波长做出响应的分子（图 3）。此外，所携带的离子类型也具有显着的特征。视紫红质通道通常转运氢离子、钠离子等，但也发现 KnChR 可以有效转运钙离子（图 4）。
　此外，离子通道工作的时间长度（通道寿命）也是独特的。换句话说，与KnChR蛋白的大小存在相关性，它具有蛋白越短，通道寿命越长的特性，可延长约10倍（图5）。我们发现蛋白质中两种称为精氨酸的特定氨基酸与此有关。

　

　

社会意义

　根据这项研究，腋生藻类 (克雷伯索米氏菌) 是光响应离子通道 (KnChR），并且被发现对靛蓝光反应最好。这为研究利用蓝光的腋藻的生存策略提供了线索。另外，KnChR也可用作靛蓝光遗传学工具。到大脑神经元KnChR，预计将有可能通过靛蓝光照射来操纵神经活动。特别是，VChR1等长波长光做出反应的现有通道视紫红质）引入共存的不同类型的细胞组织中，可以使用多色光测量多种类型细胞的光刺激（图 3）。预计这将有助于更详细地理解复杂神经网络之间的功能。此外，预计它将有助于阐明上述神经和精神疾病的机制并开发治疗方法。

未来展望

　这次发现了KnChR的分子特性将导致更有用的视紫红质通道分子的开发。例如KnChRKnChR变体的开发非常重要。

术语表

膜片钳法：一种检测离子通道和离子泵等完整膜蛋白离子转运的方法。

论文信息

论文标题：细胞质结构域中的特定残基调节来自 Klebsormidium nitens 的通道视紫红质的光电流动力学
作者姓名：Rintaro Tashiro、Kumari Sushmita、Shoko Hososhima、Sunita Sharma、Suneel Kateriya、Hideki Kandori、Satoshi P Tsunoda
出版期刊名称：Communications Biology
发布日期：2021 年 2 月 23 日
DOI：101038/s42003-021-01755-5
网址：

　

这项研究成果得到了日本科学技术振兴机构（战略创意研究推进项目PRESTO“阐明生物功能机制的光操纵技术”和CREST“利用光特性的生物功能时空控制技术的开发和应用”）和文部科学省科学研究补助金（基础研究（A）和基础研究（C））的支持。

联系信息

研究相关事宜

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