光ゲート型イオンチャネル

光ゲート型イオンチャネルは、電磁放射によって制御されるイオンチャネルのファミリーです。イオンチャネルの他のゲート機構には、電圧ゲート型イオンチャネル、リガンドゲート型イオンチャネル、機械感受性イオンチャネル、温度ゲート型イオンチャネルなどがあります。ほとんどの光ゲート型イオンチャネルは研究のために実験室で合成されていますが、現在知られているのは、チャネルロドプシンと陰イオン伝導チャネルロドプシンという2つの天然由来の例です。^{[ 1 ] [ 2 ]}光ゲート型イオンチャネルと同様の方法で機能する光受容体タンパク質は、一般的にGタンパク質共役受容体として分類されます。

光ゲート型イオンチャネルは、他のゲート型イオンチャネルと同様の方法で機能します。このような膜貫通タンパク質は、脂質二重層に孔を形成してイオンの通過を促進します。これらのイオンは、電気化学的勾配の影響を受けて膜の一方の側からもう一方の側に移動します。刺激にさらされると、タンパク質の膜貫通領域で構造変化が起こり、イオンチャネルが開閉します。光ゲート型イオンチャネルの場合、膜貫通タンパク質は通常、フォトスイッチとして機能するより小さな分子と結合しており、光子がスイッチング分子に結合すると、タンパク質の構造が変化し、孔が閉じた状態から開いた状態へ、またはその逆へと変化し、それによってイオン伝導度が増減します。レチナールは分子フォトスイッチの良い例であり、天然に存在するチャネルロドプシンに見られます。^{[ 3 ] [ 4 ]}

チャネルロソプシンが同定され特性が明らかになると、光遺伝学的制御によって膜電位を制御するために、チャネルのイオン選択性が改変された。チャネルの標的変異により、細孔を覆う電荷が変化し、陽イオンを排除して陰イオンを優先する細孔が形成された。^{[ 5 ]}

リガンド依存性イオンチャネルや電圧依存性イオンチャネルといった他のタイプのゲート型イオンチャネルは、その性質や特性をより深く理解するために、光ゲート型コンポーネントを組み込んで合成されてきた。光ゲート型セクションを追加することで、その動作速度論やメカニズムを詳細に研究することができる。例えば、光ゲート型コンポーネントを追加することで、リガンド依存性イオンチャネルの結合部位に非常に類似した多くのリガンドを導入することが可能になり、メカニズムの解明に役立つ。

このようなイオンチャネルは、光スイッチを結合させてイオンチャネルに光感受性を付与することで改変されている。これは、光異性化によって長短を調節できるテザーを慎重に選択することによって行われる。テザーの一方の端はイオンチャネルタンパク質に結合し、もう一方の端は、ポアの露出部分に対して高い結合親和性を持つ遮断基に結合している。テザーが長くなると、遮断部分がポアに結合してイオン電流を遮断する。テザーが短くなると、この遮断が解除されてポアが開く。速度論的研究により、この方法で精密な時間的および空間的制御が可能であることが実証されている。^{[ 6 ] [ 7 ]}

アゾベンゼンは、合成的に開発された光ゲート型イオンチャネルのテザーの機能部分としてよく選ばれる。これは、シス異性体またはトランス異性体として長さの変化がよく知られていること、および光異性化を誘起するために必要な励起波長が明確であるためである。アゾベンゼンは、波長λ=500 nmでより長いトランス異性体に、 λ=380 nmでシス異性体に変換される。^{[ 6 ]}  

1980年、光ゲート機構を用いた研究に初めて適応されたイオンチャネルはニコチン性アセチルコリン受容体であった。^{[ 8 ]}この受容体は当時よく知られていたため、適応に適しており、それまで不可能だった速度論の研究を可能にした。

プロモーター制御による特定の細胞型での光ゲート型イオンチャネルの発現により、陽イオン透過性チャネルロドプシンの場合は膜を 0 mV に脱分極するか​​、陰イオン伝導性チャネルロドプシンの場合は電圧を -67 mV に保持することによって細胞電位を調節できます。^{[ 9 ]}脱分極はチャネルあたり 5 fA の範囲の電流を伝導することができ、活動電位や神経伝達物質のエキソサイトーシスの時間スケールで発生します。^{[ 10 ] [ 4 ]}レーザー刺激による誘導によって、非侵襲的で可逆的な膜電位変化と微細な時間的および空間的制御が可能になるという点で、他のタイプのイオンチャネル調節よりも優れています。^{[ 3 ] [ 6 ]}光活性化プロトンポンプや光活性化プローブなどの他の技術とは異なり、機能を維持するために高強度の照明を必要としないため、迅速な脱分極を伴う単一の活動電位を確実に刺激し、生体内で使用できます。^{[ 5 ] [ 10 ]}

光制御型イオンチャネルの例は、自然環境と人工環境の両方に見られる。これらには以下が含まれる。