光で記憶を操る！新たな技術「光駆動型ホスホリパーゼCβ」を開発

本研究は、AMED 脳とこころの研究推進プログラム(革新的技術による脳機能ネットワークの全容解明プロジェクト(Brain/MINDS))、AMED再生・細胞医療・遺伝子治療実現加速化プログラム、CRESTオプトバイオなどの支援を受けたものです。

論文情報
雑誌名: Cell Chemical Biology
論文タイトル: A light-controlled phospholipase C for imaging of lipid dynamics and controlling neural plasticity
著者: Yeon-Jeong Kim1, Suguru Tohyama2, Takashi Nagashima2, Masashi Nagase2, Yamato Hida1, Shun Hamada1, Ayako M. Watabe2*, and Toshihisa Ohtsuka1*
著者(日本語標記)：金然正1、遠山卓2、永嶋宇2、永瀬将志2, 飛田耶馬人1、浜田駿1, 渡部文子2*、大塚稔久1*　(*責任著者)
１．山梨大学 大学院総合研究部 生化学講座第一教室
２．東京慈恵会医科大学 総合医科学研究センター 臨床医学研究所
DOI: 10.1016/j.chembiol.2024.03.001


研究の詳細
１．背景
　私たちの体は、ホルモンや神経伝達物質などの化学物質を使って細胞間で情報を伝達しています。これらの化学物質は「ファーストメッセンジャー」と呼ばれ、細胞膜にある受容体に結合すると、細胞内に「セカンドメッセンジャー」と呼ばれる別の化学物質を生成します。セカンドメッセンジャーは、細胞内の様々な機能を制御します。
近年、光で活性化するタンパク質を使って、細胞の活動を光で制御する「光遺伝学」という技術が発展しています。光遺伝学を使ってセカンドメッセンジャーを制御することも可能ですが、これまで、PIP2と呼ばれる脂質からIP3とDAGと呼ばれるセカンドメッセンジャーを生成する酵素「ホスホリパーゼC」を直接光で制御する方法は存在しませんでした。

２．手法と成果
　研究チームは、ホスホリパーゼCβ3 (PLCβ3) の酵素活性ドメインと、これを細胞膜に固定する足場タンパク質 (iLID) を組み合わせ「opto-PLCβ」を開発しました。青色光を当てると、opto-PLCβが活性化し、細胞膜上のPIP2をIP3とDAGに分解します。
　また、研究チームは、opto-PLCβを発現させた細胞に青色光を当て、PIP2とDAGの変化を観察したところ、青色光によってPIP2が減少すると同時にDAGが増加することを可視化しました。
　更に、研究チームは、恐怖記憶の形成に重要な扁桃体基底外側核にopto-PLCβを発現させたマウスに青色光を当てました。その結果、opto-PLCβを発現したマウスは、opto-PLCβを発現させなかったマウスよりも恐怖記憶の形成が強化されました（図１）。