遺伝子組み換え電圧インジケータ

遺伝子コード化電圧指示薬（GEVI）は、細胞内の膜電位を感知し、電圧の変化を何らかの出力（多くの場合、蛍光レベル）に関連付けることができるタンパク質です。^[1]これは、培養細胞、生きた動物、そして最終的には人間の脳から電気生理学的信号をエクスポートすることを可能にする有望な光遺伝学的記録ツールです。注目すべきGEVIの例には、ArcLight、 ^[2] ASAP1、^[3] ASAP3、^[4] Archons、^[5] SomArchon、^[6] Ace2N-mNeonなどがあります。^[7]

ニューロン活動を光学的に測定するというアイデアは1960年代後半に提案されたが^[8] 、実際に使用できるほど便利な最初のGEVIが開発され始めたのは、遺伝子工学の技術が成熟した1990年代後半になってからであった。FlaShと名付けられた最初のGEVI ^{[9]は、改変した}緑色蛍光タンパク質と電圧感受性K ⁺チャネル（Shaker ）を融合して構築された。蛍光タンパク質とは異なり、新しいGEVIの発見は自然界にヒントを得たものになることはほとんどなく、電圧に基づいて蛍光を変える能力を自然に備えた生物を見つけるのは難しい。そのため、新しいGEVIはほとんどが遺伝子工学とタンパク質工学の産物である。

新しいGEVIを見つけるには、合理的設計と指向性進化という2つの方法があります。前者の方法は、新しいGEVIバリアントのほとんどに貢献していますが、指向性進化を使用した最近の研究では、GEVIの最適化において有望な結果が示されています。^{[10] [11]}

GEVIは、電圧感知機能を実現するために、さまざまな構成設計が可能です。^[12] GEVI構造の重要な特徴は、細胞膜上に位置する必要があることです。概念的には、GEVIの構造は、電圧差を感知し、それを蛍光の変化によって報告する機能を可能にする必要があります。通常、GEVIの電圧感知ドメイン（VSD）は膜全体に広がり、蛍光タンパク質に接続されています。ただし、感知と報告が異なる構造、たとえばArchonsで行われる必要はありません。

構造的には、GEVIは現在の知見に基づき4つのカテゴリーに分類できる: (1) 蛍光タンパク質FRETペアを含むGEVI(例:VSFP1)、(2) 単一オプシンGEVI(例:Arch)、(3) オプシン-FP FRETペアGEVI(例:MacQ-mCitrine)、(4) 特殊なタイプの電圧感知ドメインを持つ単一FP(例:ASAP1)。GEVIの大部分は、 2005年に生物のゲノム調査から発見されたCiona intestinalisの 電圧感受性ホスファターゼ(Ci-VSPまたはCi-VSD(ドメイン))をベースにしている。 ^[13]一部のGEVIは同様のコンポーネントを持っているが、それらの位置が異なっている可能性がある。たとえば、ASAP1 と ArcLight はどちらも VSD と 1 つの FP を使用しますが、ASAP1 の FP は細胞の外側にあるのに対し、ArcLight の FP は内側にあり、VSFP-Butterfly の 2 つの FP は VSD によって分離されているのに対し、Mermaid の 2 つの FP は互いに比較的近くにあります。

1. ↑イタリック体の名前は名前のない GEVI を表します。

GEVIは多くの特性によって評価できます。これらの特性は、性能と互換性の2つのカテゴリに分類できます。性能特性には、明るさ、光安定性、感度、動態（速度）、応答の直線性などが含まれ、互換性特性には、毒性（光毒性）、細胞膜局在、深部組織イメージングの適応性などが含まれます。 ^[43]現時点では、既存のGEVIですべての望ましい特性を満たしているものはないため、完璧なGEVIを探すことは、依然として非常に競争の激しい研究分野です。

さまざまな種類のGEVIが、多くの生物学または生理学の研究分野で開発されています。GEVIは、電極ベースの電気生理学的記録、カルシウムイメージング、または電圧感受性染料などの従来の電圧検出方法よりも優れていると考えられています。細胞内空間分解能^[44]と0.2ミリ秒という低い時間分解能を持ち、カルシウムイメージングよりも約1桁高速です。これにより、侵襲性なしで電極ベースの電気生理学に匹敵するスパイク検出忠実度が可能になります。^{[33]研究者は、無傷の脳（}ショウジョウバエ^[45]またはマウス^[46]）の神経伝達、細菌（大腸菌^[22]）の電気的スパイク、およびヒト幹細胞由来の心筋細胞[47]の調査にGEVIを使用しています。^{[48 ]}

GEVI 開発の将来の方向性は、対象アプリケーションと密接に結びついています。新世代の GEVI が第 1 世代の GEVI の性能の低さを克服するにつれて、GEVI をより困難で用途の広いアプリケーションで使用するための道が開かれるでしょう。他の多くのタンパク質バイオセンサーやアクチュエーターと同様に、実用化の初期閾値を超えると、それぞれ異なる重点とパフォーマンス メトリックのサブセットを必要とするさまざまな対象アプリケーションでの使用のためにツールを作り直す試みが増えるでしょう。たとえば、JEDI-2P の著者は、負方向 (明るいから暗い) のセンサーは閾値下の脱分極と過分極の検出に適していますが、正方向 (暗いから明るい) のセンサーはスパイク検出に適している可能性があると述べています。^[42]完璧なセンサーを設計 (スクリーニング) するには努力が必要だと主張する人もいるかもしれませんが、多くの場合、より説得力のある理由は、そのような完璧さについて全員一致の定義がないということなのです。たとえば、科学者は、他のオプトジェネティックアクチュエータとスペクトル的に互換性があるように、異なる発光色と励起色のセンサーを好む場合があります。最近では、GEVI の明るさが低いために生じる信号対雑音比 (SNR) の低さを補うために、SNR を高めるためのいくつかのノイズ除去方法が適用されています。