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Ca2+やcAMP を感知する蛍光タンパク質を開発

京都大学, 大学院生命科学研究科
研究員
横山達士
 Ca2+(カルシウムイオン)やcAMP(3'-5'-アデノシン一リン酸)は、多くの生物の細胞内で情報伝達を担う重要な分子です。我々は、Ca2+やcAMP を感知する蛍光タンパク質を開発し、生きたマウスの神経細胞においてCa2+とcAMPの動態を観察しました。
 Ca2+やcAMPは、多くの生物の細胞内に存在する重要なセカンドメッセンジャーです。Ca2+とcAMPが互いに影響しながら時々刻々とその細胞内濃度が制御されることで、細胞の生理応答が誘発されます。しかし、生きた動物のCa2+とcAMPの動態を、同時かつ高精度に観察する技術がこれまで不十分であったため、Ca2+とcAMPの間の関係性を精確に調べることはできませんでした。
 本研究では、Ca2+を感知する赤色の蛍光タンパク質「RCaMP3」と、cAMPを感知する緑色の蛍光タンパク質「cAMPinG1」を開発しました。RCaMP3やcAMPinG1はそれぞれ、Ca2+やcAMPと結合すると、その蛍光が明るくなります。RCaMP3とcAMPinG1の両方を、生きたマウスの大脳皮質に存在する神経細胞に発現させ、蛍光顕微鏡で観察することで、数百個というたくさんの神経細胞のそれぞれから、cAMP濃度を示す緑色蛍光とCa2+濃度を示す赤色蛍光の両方を観察することに世界で初めて成功しました。マウスを強制的に走らせると、大脳皮質におけるノルアドレナリン放出と、GPCR(Gタンパク質共役受容体)の一つであるアドレナリン受容体の活性化によるcAMP上昇を示す細胞が観察されました。別の細胞では、Ca2+上昇に後続するcAMP上昇がみられ、Ca2+依存性アデニル酸シクラーゼによるcAMP上昇と考えられました。また、数百ミリ秒の単位で上昇・減少するCa2+に比較して、cAMPの動きは数十秒単位と遅いことがわかりました。以上より、神経細胞において、発火とCa2+シグナルがもつ情報と、GPCRシグナルが持つ情報は、cAMPシグナルとして統合され、数十秒の単位で細胞内に記憶されることを世界で初めて観察することに成功しました。この成果は、精神・神経疾患の病態解明および治療法の開発につながるものと期待されます。
<掲載ジャーナル>
タイトル:A multicolor suite for deciphering population coding of calcium and cAMP in vivo
著 者:Tatsushi Yokoyama, Satoshi Manita, Hiroyuki Uwamori, Mio Tajiri, Itaru Imayoshi, Sho Yagishita, Masanori Murayama, Kazuo Kitamura, Masayuki Sakamoto
掲 載 誌:Nature Methods
DOI:10.1038/s41592-024-02222-9
<図の説明>
実験条件と得られた結果の模式図。
<研究者の声>
 この研究を始めた当初は思ったようにcAMPの蛍光シグナルがin vivoで検出できず苦労しましたが、暗中模索しながら実験を重ね、最後にはcAMPがどのような情報を脳内で表現することができるのかの一端を解明することができて良かったです。今後は、Ca2+とcAMP以外の生体内分子の動きを感知する蛍光センサーの開発を進めることに並行して、これらのイメージング技術を精神疾患の病態解明に応用したいと考えています。
<略歴>
2014年東京大学医学部医学科卒業。
2016年東京大学医学部附属病院臨床研修プログラム修了。
2020年東京大学医学系研究科博士課修了。
東京大学医学系研究科神経生化学特任研究員を経て、2020年より現職。
 
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