光依存性イオンチャネル
輸送タンパク質ファミリー

光依存性イオンチャネルは、電磁放射線によって制御されるイオンチャネルの一種です。イオンチャネルの他のゲーティング機構には、電位依存性イオンチャネル、リガンド依存性イオンチャネル、機械感受性イオンチャネル、温度依存性イオンチャネルなどがあります。光依存性イオンチャネルのほとんどは研究のために実験室で合成されていますが、現在、天然に存在する例としてチャネルロドプシンと陰イオン伝導性チャネルロドプシンが知られています。[1] [2]光依存性イオンチャネルと同様に作用する光受容体タンパク質は、一般的にGタンパク質共役受容体に分類されます。

機構

光依存性イオンチャネルは、他の依存性イオンチャネルと同様の機能を果たす。このような膜貫通タンパク質は、脂質二重層に孔を形成し、イオンの通過を容易にする。これらのイオンは、電気化学的勾配の影響を受けて膜の一方から他方へと移動する。刺激を受けると、タンパク質の膜貫通領域で構造変化が起こり、イオンチャネルを開閉する。光依存性イオンチャネルの場合、膜貫通タンパク質は通常、光スイッチとして機能する小さな分子と結合しており、光子がスイッチング分子に結合してタンパク質の構造を変化させ、孔が閉じた状態から開いた状態へ、あるいはその逆に変化することで、イオン伝導度が増減する。レチナールは分子光スイッチの好例であり、天然に存在するチャネルロドプシンに見られる。[3] [4]

合成アイソフォーム

チャネルロソプシンが同定され、その特性が明らかになると、光遺伝学的制御によって膜電位を制御するために、チャネルのイオン選択性が改変されました。チャネルの特異的変異は、孔の内層の電荷を変化させ、結果として陽イオンを排除し陰イオンを好む孔を形成しました。[5]

リガンド依存性および電位依存性といった他のタイプのゲート型イオンチャネルは、その性質と特性をより深く理解するために、光依存性コンポーネントを組み込んだ合成が試みられています。光依存性セクションを追加することで、動作の速度論とメカニズムをより深く研究することができます。例えば、光依存性コンポーネントを追加することで、リガンド依存性イオンチャネルの結合部位に非常に類似した多くのリガンドを導入することが可能になり、メカニズムの解明に役立ちます。

このようなイオンチャネルは、光スイッチを結合させることで光感受性を付与することで改変されている。これは、光異性化によって伸長または短縮できるテザーを慎重に選択することで行われる。テザーの片端はイオンチャネルタンパク質に結合し、もう一方の端は、細孔の露出部分に対して高い結合親和性を持つブロッキング基に結合している。テザーが長くなると、ブロッキング部分が細孔に結合してイオン電流を遮断する。テザーが短くなると、この閉塞が解除され、細孔が開く。速度論的研究により、この方法で時間的および空間的な微細制御が達成できることが実証されている。[6] [7]

アゾベンゼンのトランス異性体とシス異性体間の光異性化

アゾベンゼンは、シス異性体またはトランス異性体としての長さ変化が十分に報告されていること、および光異性化を誘導するために必要な励起波長を有することから、合成開発の光依存性イオンチャネルのテザー機能部分によく使用されます。アゾベンゼンは、波長λ=500 nmでより長いトランス異性体に変換され、 λ=380 nmでシス異性体に変換されます。 [6]

1980年に、光依存性メカニズムを用いて研究に適応された最初のイオンチャネルは、ニコチン性アセチルコリン受容体でした。[8]この受容体は当時よく知られていたため、適応に適しており、以前にはできなかった動態研究を可能にしました。

プロモーター制御を介して特定の細胞型で光依存性イオンチャネルを発現させると、陽イオン透過性チャネルロドプシンの場合は膜を 0 mV に脱分極するか​​、陰イオン伝導性チャネルロドプシンの場合は電圧を -67 mV に保持することにより、細胞電位を調節することができます。[9]脱分極はチャネルあたり 5 fA 程度の電流を伝導することができ、活動電位と神経伝達物質のエキソサイトーシスの時間スケールで起こります。[10] [4]これらは、レーザー刺激による誘導によって微細な時間的および空間的制御が可能になり、非侵襲的で可逆的な膜電位変化を提供できるという点で、他の種類のイオンチャネル調節に比べて優れています。[3] [6]これらは迅速な脱分極を伴って単一の活動電位を確実に刺激し、光活性化プロトンポンプや光活性化プローブなどの他の技術とは異なり、機能を維持するために高強度の照明を必要としないため、生体内で利用できます。[5] [10]

例

光依存性イオンチャネルの例は、天然環境と人工環境の両方に存在します。具体的には、以下のようなものが挙げられます。

自然に発生する

合成的に適応

参考文献

  1. ^ 「光依存性イオンチャネルの工学」—生化学、45（51）、15129–15141、2006 doi：10.1021/bi0618058
  2. ^ Govorunova, Elena G.; Sineshchekov, Oleg A.; Janz, Roger; Liu, Xiaoqin; Spudich, John L. (2015-08-07). 「天然光依存性アニオンチャネル：高度なオプトジェネティクスのための微生物ロドプシンファミリー」. Science . 349 (6248): 647– 650. Bibcode :2015Sci...349..647G. doi :10.1126/science.aaa7484. ISSN  0036-8075. PMC 4764398. PMID 26113638  . 
  3. ^ ab Nagel, Georg; Brauner, Martin; Liewald, Jana F.; Adeishvili, Nona; Bamberg, Ernst; Gottschalk, Alexander (2005). 「Caenorhabditis elegansの興奮性細胞におけるチャネルロドプシン-2の光活性化は急速な行動反応を引き起こす」Current Biology . 15 (24): 2279– 2284. Bibcode :2005CBio...15.2279N. doi : 10.1016/j.cub.2005.11.032 . PMID  16360690.
  4. ^ ab Nagel, Georg; Szellas, Tanjef; Huhn, Wolfram; Kateriya, Suneel; Adeishvili, Nona; Berthold, Peter; Ollig, Doris; Hegemann, Peter; Bamberg, Ernst (2003-11-25). 「チャネルロドプシン-2：直接光依存性陽イオン選択性膜チャネル」. Proceedings of the National Academy of Sciences . 100 (24): 13940– 13945. Bibcode :2003PNAS..10013940N. doi : 10.1073/pnas.1936192100 . ISSN  0027-8424. PMC 283525. PMID 14615590  . 
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