光依存性イオンチャネル

光依存性イオンチャネルは、電磁放射線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ティング機構には、電圧依存性イオンチャネル、リガンド依存性イオンチャネル、機械感受性イオンチャネル、温度依存性イオンチャネルなどがあります。ほとんどの光依存性イオンチャネルは研究のために研究室で合成されていますが、現在、チャネルロドプシンと陰イオン伝導性チャネルロドプシンという2つの天然の例が知られています。^{[1] [2]}光依存性イオンチャネルと同様に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に分類されます。

光依存性イオンチャネルは、他の依存性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、イオンの通過を容易にします。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から他方に移動する。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いたり閉じたりします。光依存性イオンチャネルの特定のケースでは、膜貫通タンパク質は通常、光スイッチとして機能する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してタンパク質の構造を変化させ、孔が閉じた状態から開いた状態に、またはその逆に変化し、イオン伝導性が増減します。レチナールは分子光スイッチの良い例であり、天然のチャネルロドプシンに含まれています。^{[3] [4]}

チャネルロソプシンが特定され特徴付けられると、光遺伝学的制御を通じ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ました。チャネルの誘導変異により孔の内側を覆う電荷が変化し、代わりに陽イオンを排除し陰イオンを好む孔が生まれました。^[5]

他のタイプのゲート型イオンチャネル、リガンドゲート型および電圧ゲート型は、その性質と特性をよりよく理解するために、光ゲート型コンポーネントを使用して合成されています。光ゲートセクションを追加することで、動作の速度論とメカニズムを詳細に研究できます。たとえば、光ゲート型コンポーネントを追加すると、リガンドゲート型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して、メカニズムの決定に役立てることができます。

このようなイオンチャネルは、光スイッチを結合してイオンチャネルに光感受性を付与することによって改変されている。これは、光異性化によって長くなったり短くなったりできるテザーを慎重に選択することによって行われる。テザーの片側はイオンチャネルタンパク質に結合し、テザーのもう一方の端は、細孔の露出部分に対して高い結合親和性を持つブロッキング基に結合している。テザーが長くなると、ブロッキング部分が細孔に結合してイオン電流を防ぐことができる。テザーが短くなると、この障害が破壊され、細孔が開く。速度論的研究により、この方法で時間的および空間的な微細制御が達成できることが実証されている。^{[6] [7]}

アゾベンゼンは、シスまたはトランス異性体としての長さ変化がよく文書化されており、光異性化を誘導するために必要な励起波長であるため、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によく選ばれています。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変換され、 λ=380 nmでシス異性体に変換されます。 ^[6]

1980年に、光依存性メカニズムを用いて研究するために適応された最初のイオンチャネルは、ニコチン性アセチルコリン受容体でした。^[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、以前にはできなかった動態の研究を可能にしました。

プロモーター制御による特定の細胞型での光依存性イオンチャネルの発現は、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り、細胞電位の調節を可能にする。^[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、活動電位および神経伝達物質のエキソサイトーシスの時間スケールで起こる。^{[10] [4]これらは、}レーザー刺激による誘導によって得られる微細な時間的および空間的制御により、非侵襲的で可逆的な膜電位変化を提供するという点で、他のタイプのイオンチャネル調節に比べて優れている。^{[3] [6]これらは、迅速な脱分極で単一の活動電位を確実に刺激し、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、生体内で利用することができる。^{[5] [10]}

光依存性イオンチャネルの例は、自然環境と人工環境の両方に存在します。これには以下が含まれます。

• チャネルロドプシンは、光依存性イオンチャネルとして最初に発見されたファミリーです。
  • チャネルロドプシン-1 （クラミドモナスおよびボルボックス由来）
  • チャネルロドプシン-2
  • 陰イオン伝導チャネルロドプシン

• ニコチン性アセチルコリン受容体は、光ゲート機構を合成的に適応させた最初のイオンチャネルでした。
• 光活性化カリウムチャネルは、光照射による神経活動を抑制することを目的として、細菌のK ⁺チャネルから設計されました。 ^{[11] 2番目の戦略は、}環状ヌクレオチドゲートK ⁺チャネルと光活性化アデニル酸シクラーゼを組み合わせて、非常に低い光レベルで神経活動を抑制することです。^{[12] [13]}
• 完全に合成された光ゲートチャネルも数多く製造されている。^{[14] [15]}