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光で脳/神経科学に革命を起こす「オプトジェネティクス」

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「脳」は21世紀のサイエンスを代表するキーワードとして名高い対象ですが、分子・細胞間の関係性をもとにした機能解明はほとんど進んでいません。先進諸国で対策すべき疾病は、肉体的なものから精神/神経疾患へとシフトしつつあるにも関わらずその病理解明は遅れており、治療法開拓へもなかなか手が伸びていきません。

最大の問題はとにもかくにも、生きている動物を使って、脳・神経機能を細胞レベルと関連づけて調べる技術の欠如にありました。

しかし最近、とある革命的技術によってこれががらりと様変わりを見せました。本記事のタイトルでもある「オプトジェネティクス(光遺伝学)」です[1-3]。

将来のノーベル賞間違いなしとの確信すら覚える技術であり、お世辞抜きに生命研究界に革命をもたらしました。

凄さを何回かに分けて紹介してみたく思いますが、主に遺伝子操作に頼る側面が多く「え、これって化学なの?」と思われる方もいらっしゃるかも知れません。

しかしこれは実に化学の言葉で語りうる技術なのです。読み進むうち分かって頂けると思いますので、しばらくおつきあいくださいませ。(冒頭画像はmedicalxpress.comより引用)

 

オプトジェネティクスってどんな技術?

一言で述べるならば【遺伝子導入によって光応答タンパクを発現させ、細胞を光制御できる形に変えてしまう技術】です。Nature提供のビデオをご覧頂くのが手っ取り早いでしょう(英語ですが・・・)。

実験手順をざっくりと説明すれば以下の通り。とっても簡単です。

①遺伝子導入によって光応答性タンパク(チャネルロドプシン)を目的細胞で発現させる
②目的細胞に光を当て、細胞応答を変化させる
③生命機能との関連を追跡する

たとえばある脳細胞が担う機能を調べたければ、ウィルスベクターなどを使って脳細胞に光応答性タンパクを発現させ、マウスの頭蓋にLED光源を埋め込んで光で脳機能のON/OFFを行う、という実験法が典型です。これは見た目にも大変インパクトがあるので、オプトジェネティクスを象徴するアイコンにもなっています。

optogenetics_2

(画像はこちらのページより引用)

なにが凄いのか?

既存技術よりも圧倒的に優れる点は以下の通りです。

①生きたままの動物に使える
②細胞(群)レベル・ミリ秒タイムスケールでの解析ができる
③可逆的・即時的・生体直交的に細胞機能を操作/制御できる

かつては電極刺激やfMRIから、脳-神経活動の関連性を見積もる実験方法が一般的でした。しかしこれは神経応答-機能の因果を厳密に決定できるわけではなく、分解能も高くありません。個々の神経細胞が脳機能に果たす役割を調べるには、甚だ不十分だったのです。

オプトジェネティクスの登場により、生命活動下にある特定細胞がどう働いているのかを、遺伝学の文脈で調べることが可能になりました。

思想的にはあらゆる細胞/機能性タンパク質に応用可能ですが、とりわけ応用先として有望視されているのが脳科学分野というわけです。

見方を変えれば特定の脳細胞に外部から影響を与えることが出来る技術でもあるため、生きたままの脳を人為操作できる可能性を秘めた手法でもあります。

光応答性タンパクも、応答波長やレスポンス速度が異なるものが種々開発されてきています。発現パターンの工夫と多色光源の活用によって、かなり複雑な脳操作も可能になりつつあります。

光応答性タンパクの種類・特性(論文[2])

光応答性タンパクの種類・特性(論文[2])

最近では様々な企業から導入ツールが多く市販されるまでに至り、爆発的な普及を見せています。そのインパクトゆえ、Nature Method誌が科学全分野の中から選ぶ“Method of the Year 2010”にも選定されているほどです。(ちなみにMethod of the Year 2008には今年のノーベル化学賞を授与された超解像蛍光顕微鏡が選定されています)

Pubmedの論文数推移

Pubmedの論文数推移

どんな成果がでているのか?

日本国内で話題を攫った一部だけ取りあげても、以下のごとくとんでもない研究成果が報告済みです(詳細は各リンク先をご覧ください)。これらは全て、オプトジェネティクス無しでは実施不可能な研究です。現代、光+脳というキーワードから語られる研究成果は、ほぼ全てオプトジェネティクスによって達成されたものと見て間違いないと思います。

記憶のオン・オフが可能に
光でサルを操作する技術
記憶の曖昧さに光をあてる-誤りの記憶を形成できることを、光と遺伝子操作を使って証明-
光で記憶を書き換える-「嫌な出来事の記憶」と「楽しい出来事の記憶」をスイッチさせることに成功-
怖い体験が記憶として脳に刻まれるメカニズムの解明へ-扁桃体ニューロンの活動とノルアドレナリンの活性が鍵-
『パブロフの犬』の脳内の仕組み解明

 

次回はオプトジェネティクスの開発経緯について触れてみたいと思います。これもまた面白いのです。

 

参考文献

[1] “Control the Brain with Light” Disseroth, K. Scientific American 2010, 11, 49. [PDF] [日経サイエンス(日本語版)]
[2] “Optogenetic investigation of neural circuits underlying brain disease in animal models” Tye, K. M.; Deisseroth, K. Nat. Rev. Neurosci. 2012, 13, 251. doi:10.1038/nrn3171
[3] “Optogenetics” Deisseroth, K. Nat. Method 2011, 8, 26. doi:10.1038/nmeth.f.324

 

関連書籍

 

外部リンク

cosine

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博士(薬学)。Chem-Station副代表。国立大学教員→国研研究員にクラスチェンジ。専門は有機合成化学、触媒化学、医薬化学、ペプチド/タンパク質化学。
関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。
素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。

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