藍色光を選択的に吸収するチャネルロドプシンKnChRの構造と機能を解明~多波長型光遺伝学ツールへの応用に道~

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2025-06-18 東京大学

東京大学と名古屋工業大学の研究グループは、藍色光(450nm)に選択的に応答するチャネルロドプシン「KnChR」の構造と機能を解明した。クライオ電子顕微鏡による単粒子解析で、KnChRが2量体を形成し、C末端領域がチャネル開閉に関与する構造を明らかにした。また、KnChR特有の6-s-cis型レチナール構造が、短波長光応答の要因であることも判明。さらにI129Q変異体「KnChortRQ」を開発し、420nmの光にも応答可能なチャネルとして、多波長型光遺伝学への応用の道を拓いた。神経細胞への導入実験では、423nmや385nmの光で神経発火を誘導でき、多色光による神経回路解析や精神・神経疾患の研究に新たな可能性を示した。

藍色光を選択的に吸収するチャネルロドプシンKnChRの構造と機能を解明~多波長型光遺伝学ツールへの応用に道~
クライオ電子顕微鏡法によって得られたチャネルロドプシンKnChRの構造

<関連情報>

青色にシフトしたKlebsormidium nitens由来チャネルロドプシンの低温電子顕微鏡構造 Cryo-EM structure of a blue-shifted channelrhodopsin from Klebsormidium nitens

Yuzhu Z. Wang,Koki Natsume,Tatsuki Tanaka,Shoko Hososhima,Rintaro Tashiro,Fumiya K. Sano,Hiroaki Akasaka,Satoshi P. Tsunoda,Wataru Shihoya,Hideki Kandori & Osamu Nureki
Nature Communications  Published:18 June 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-59299-9

Abstract

Channelrhodopsins (ChRs) are light-gated ion channels and invaluable tools for optogenetic applications. Recent developments in multicolor optogenetics, in which different neurons are controlled by multiple colors of light simultaneously, have increased the demand for ChR mutants with more distant absorption wavelengths. Here we report the 2.7 Å-resolution cryo-electron microscopy structure of a ChR from Klebsormidium nitens (KnChR), which is one of the most blue-shifted ChRs. The structure elucidates the 6-s-cis configuration of the retinal chromophore, indicating its contribution to a distinctive blue shift in action spectra. The unique architecture of the C-terminal region reveals its role in the allosteric modulation of channel kinetics, enhancing our understanding of its functional dynamics. Employing a rational approach, we developed mutants with blue-shifted action spectra. Finally, we confirm that UV or deep-blue light can activate KnChR-transfected precultured neurons, expanding its utility in optogenetic applications. Our findings contribute valuable insights to advance optogenetic tools and enable refined capabilities in neuroscience experiments.

生物工学一般
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