神経活動の抑制を鋭敏に捉える新規カルシウムセンサーの開発～細胞の機能解析への応用も可能～

2018-04-262021-05-04

2018-04-26 九州大学,大阪大学,科学技術振興機構（ＪＳＴ）

ポイント

従来のＧＥＣＩ（遺伝子にコードされたカルシウムセンサー）と呼ばれる蛍光タンパク質のほとんどは、カルシウムイオン濃度の上昇に伴い蛍光が強くなるため、細胞内のカルシウムイオン濃度減少の計測には適していなかった。
今回、細胞内のカルシウムイオン濃度の減少を鋭敏に捉えるＧＥＣＩの開発に成功した。
神経活動の抑制を測定するセンサーを開発したことで、興奮性の神経活動を測定するセンサーと組み合わせ、神経活動の興奮と抑制を同時に測定し、情報処理の全体像の解明につながることが期待される。

脳の神経回路では、主に「興奮」と「抑制」の２種類のシナプス伝達を組み合わせて情報を処理しています。この情報処理を担う神経細胞の活動は、遺伝子にコードされたカルシウムセンサー（ＧＥＣＩ）を使って細胞内のカルシウムイオンの濃度変化（興奮状態で濃度が高くなる）により観察することができます。しかし、これまではＧＥＣＩを用いた場合、「神経活動の興奮」を測定することが中心となっていました。
九州大学大学院理学研究院の石原健　教授のグループと大阪大学産業科学研究所の永井健治　教授のグループはこれまで困難であった「神経活動の抑制」を鋭敏に測定することができる新しいＧＥＣＩの開発に成功し、ＩＰ２．０と名付けました。
神経細胞にＧＥＣＩを発現させると、神経活動に応じて細胞内のカルシウムイオンの濃度変化が、蛍光強度の変化として観察できます。これまでのＧＥＣＩはカルシウムイオン濃度の上昇に伴い蛍光が強くなるため、細胞内のカルシウムイオン濃度の減少を捉えることには適していませんでした。今回開発したＩＰ２．０は、これまでのＧＥＣＩとは反対の性質を持ち、カルシウムイオン濃度の減少に伴い蛍光が強くなります。これにより、細胞内のカルシウムイオン濃度の減少および増加を正確に捉えることができるようになりました。
実際にＩＰ２．０を線虫の神経細胞に発現させ、細胞内のカルシウムイオン濃度の減少を測定したところ、神経活動の抑制を鋭敏に観察可能なことが確認できました。今後、このＩＰ２．０を用いて、これまで観察しづらかった細胞内カルシウムイオン濃度変化をより正確に測定できるようになり、新たに神経回路の機能や細胞の機能が解明されることが期待されます。
本研究成果は、２０１８年４月２５日（水）午後２時（米国東部夏時間）付けで科学雑誌「ＰＬＯＳ　ＯＮＥ」に掲載される予定です。
本研究は、科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）「生命動態の理解と制御のための基盤技術の創出」（研究総括：山本雅　沖縄科学技術大学院大学　教授）、「新たな光機能や光物性の発現・利活用を基軸とする次世代フォトニクスの基盤技術」（研究総括：北山研一　光産業創成大学院大学　特任教授）、および日本学術振興会科学研究費の支援を受けました。

＜研究者から一言＞

これまでの興奮性の神経活動を測定するカルシウムセンサーと組み合わせることによって、神経活動の興奮と抑制を同時に測定し、情報処理の全体像を解析できると大いに期待しています。

＜参考図＞

図

＜論文情報＞

タイトル：“An improved inverse-type Ca²⁺ indicator can detect putative neuronal inhibition in Caenorhabditis elegans by increasing signal intensity upon Ca²⁺decrease”
ＵＲＬ：http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0194707