Research Abstract

遺伝的にコードされたBACCSタンパク質を使って細胞内Ca²⁺シグナルを光によって生成させる

Light generation of intracellular Ca²⁺ signals by a genetically encoded protein BACCS

2015年8月18日 Nature Communications 6 : 8021 doi: 10.1038/ncomms9021

Ca²⁺シグナルは、多くの細胞内の生理的事象の多くで空間的・時間的に高度に調節されている。今回我々は、遺伝学的操作により青色光活性化Ca²⁺チャネルスイッチ（blue light-activated Ca²⁺ channel switch; BACCS）を作製したことを報告する。このスイッチはCa²⁺シグナルを発生させる光遺伝学ツールとして使え、光に応答してCa²⁺選択的ORAIイオンチャネルを開口させる。BACCSのバリアントであるdmBACCS2をショウジョウバエ（Drosophila）ORAIと組み合わせて哺乳類細胞で発現させるとCa²⁺濃度をさらに速く上昇させることが可能で、光照射後1秒以内にCa²⁺濃度上昇が観察される。我々はBACCSを用いてNFATが仲介する遺伝子発現などの細胞事象を制御することに成功した。マウスの嗅覚系では、BACCSは光依存的に電気生理学的応答を仲介する。さらに、我々は細胞内Ca²⁺の緩急両方の回復が見られるBACCS変異体も作出した。従って、BACCSは時間的に多様で、ダイナミックレンジの広い細胞内Ca²⁺シグナルを生成するのに使える光遺伝学ツールであって、in vitroとin vivoでの研究の両方に適用可能であると考えられる。

Tomohiro Ishii, Koji Sato, Toshiyuki Kakumoto, Shigenori Miura, Kazushige Touhara, Shoji Takeuchi & Takao Nakata

Corresponding Author

中田隆夫
東京医科歯科大学細胞生物学分野

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Ca²⁺ signals are highly regulated in a spatiotemporal manner in numerous cellular physiological events. Here we report a genetically engineered blue light-activated Ca²⁺ channel switch (BACCS), as an optogenetic tool for generating Ca²⁺ signals. BACCS opens Ca²⁺-selective ORAI ion channels in response to light. A BACCS variant, dmBACCS2, combined with Drosophila Orai, elevates the Ca²⁺ concentration more rapidly, such that Ca²⁺ elevation in mammalian cells is observed within 1 s on light exposure. Using BACCSs, we successfully control cellular events including NFAT-mediated gene expression. In the mouse olfactory system, BACCS mediates light-dependent electrophysiological responses. Furthermore, we generate BACCS mutants, which exhibit fast and slow recovery of intracellular Ca²⁺. Thus, BACCSs are a useful optogenetic tool for generating temporally various intracellular Ca²⁺ signals with a large dynamic range, and will be applicable to both in vitro and in vivo studies.

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