複雑な生命のプロセスを操作できる！？【オプトジェネティクス】

・新しい光遺伝学のツールは、レーザーを使って電気的に興奮している細胞の「スイッチを切る」ことができます。

・これを用いると、既存の光遺伝学の抑制ツールでは避けられなかった、人工的なイオンフラックスによる有害な副作用を軽減することができます。

オプトジェネティクスとは、生体組織の分子事象を、光を用いた特定の方法で変化させる技術のことです。主に光感受性イオンチャネルを発現するように遺伝子改変された神経細胞を対象にしています。この方法では、細胞の挙動を変化させるために、光の存在下で構成を変化させるよう遺伝子的にコードされたタンパク質を利用します。

単一の細胞、細胞ネットワーク、さらには生物全体を、高い時間的・空間的分解能で制御することができます。オプトジェネティクスの分野のおかげで基本的な科学的理解が向上し、手を加えられていない組織内で特定の種類の細胞を分析することが可能になりました。また、パーキンソン病をはじめとする神経疾患や精神疾患の解明にもつながっています。

今回、ドイツ・ベルリン・フンボルト大学の研究者らはこの光遺伝学のツールの進化版を開発し、心筋梗塞後に生じる電気信号の欠落において、欠落した電気信号を調べることができるようになりました。これにより、新しい治療法の開発や、神経ネットワークの検査への新たな応用などが期待されています。

興奮しやすい細胞を光遺伝的に抑制するシステムを構築するために、さまざまな研究が行われています。このようなシステムは、脳や心臓のような興奮性組織の複雑な機能構造の中で、特定のタイプの細胞が何をしているかを詳細に教えてくれます。これらを効率的に利用するために、光遺伝的抑制剤は、

・特定の細胞を標的とすることができ、

・様々な持続時間で可逆的な活動電位の発火を行うことが可能で、

・関連器官の機能に影響を与えるイオン濃度に悪影響を与えない

ことが必要です。

光ゲートチャネルは、電気的に興奮しやすい細胞のレーザー活動によって引き金を引かれる、あるいは「スイッチオン」されるタンパク質です。複雑な細胞ネットワークの電気的活動を調節することで、細胞の行動を制御しています。

これらの電気的活動を「スイッチオフ」する光遺伝学のツールも同様に重要です。同じことができるタンパク質が既に確立されていますが、これには有害な副作用があるのです。

興奮した細胞を「スイッチオフ」する

この2つのモジュールからなる新しい光遺伝学のツールは、光活性化酵素（PAC）とバクテリアのカリウムチャネル（K）の同時発現に依存しています。PACとKを併用することで、短い青色光パルスを用いて神経細胞の活動を数秒間抑制することが可能となるのです。研究者らは、PACKの活性化により、ゼブラフィッシュの動きを効果的に停止させることができると述べています。

その「沈黙させる」機能に加えて、このツールは特に青色光や紫外線に対して高い光感度を持つことが知られています。この新しいツールは、時間をかけて光と統合する能力と相まって、同時に発現するチャネルロドプシン（光ゲートのイオンチャネルとして機能するタンパク質のサブファミリー）の活性化を最小限に抑えることができます。

このツールは、既存の光遺伝学的抑制ツールでは避けられなかった、人工的なイオンフラックスによる不快な副作用を軽減します。さらに、このツールは、いくつかのモデルシステムや、興奮性細胞システムを探求するあらゆる分野で役立ちます。例えば、心血管から神経科学まで幅広く研究が行われることでしょう。