Nature Method Published: 20 September 2024
A modular chemigenetic calcium indicator for multiplexed in vivo functional imaging (多重化生体機能イメージングのためのモジュール式化学遺伝学的カルシウム指示薬)
JaneliaのEric SchreiterとLuke Lavisの研究チームは、生体内の生理学的信号を可視化する画期的な新しいバイオセンサー「WHaloCaMP」の開発に成功した。
2021年、彼らは当初、Schreiterが開発したタンパク質バイオセンサーとLavisが開発した明るい蛍光性Janelia Fluor（JF）色素を組み合わせる方法を報告したが、実際の動物実験では機能しないことが判明した。
この問題を解決するため、ポスドクのHelen Farrantsが新たに参画し、一からプロジェクトを再構築した。約1年半の試行錯誤の末、革新的なブレークスルーを達成した。彼女は、トリプトファンというアミノ酸を利用して色素の蛍光をオン・オフする新しい仕組みを考案した。
この新しい仕組みでは、トリプトファンが色素と近接している時は蛍光が消え（オフ）、カルシウムが存在するとタンパク質の形が変化してトリプトファンが色素から離れ、蛍光が点灯（オン）する。この方法により、生体組織に容易に取り込まれる色素を使用することが可能になった。
WHaloCaMPの特徴：
- 遠赤色光を使用するため、より深い組織まで観察可能
- ショウジョウバエ、ゼブラフィッシュ、マウスなどの生きた動物で使用可能
- 最大3つの異なる信号を同時に検出可能
- カルシウムシグナルを含む様々な生理学的信号の観察に応用可能
研究チームは現在、JaneliaのGENIEプロジェクトチームと協力して、WHaloCaMPの改良版の開発を進めている。また、他の生理学的信号を検出するためのセンサーや、追加のJF色素を使用したセンサーの開発にも取り組んでいる。
この技術は既に研究コミュニティに公開されており、他の研究グループも独自のバージョンのセンサーを開発し始めている。この成果は、細胞、組織、器官がどのように協調して重要な機能を果たすかについての理解を深めるための強力なツールとなることが期待されている。
Farrantsは、この成功はJaneliaならではの協力的な研究環境があったからこそ可能になったと強調している。化学者と生物学者が日常的に交流し、実際のニーズに基づいたツール開発ができる環境が、このブレークスルーを生み出す鍵となった。
WHaloCaMPの主要な構成要素と動作原理：
- 構造的特徴：
- ドメイン配置（domain arrangement）：タンパク質の機能的な部分構造の配置
- 色素-リガンドの共有結合（covalent binding of the dye-ligand）：蛍光色素が化学的に結合している部分
- 消光トリプトファン（quenching tryptophan）：蛍光を消す働きをするアミノ酸
- 動作メカニズム：
- オフの状態：
- トリプトファンが色素と近接している状態
- この状態では色素の蛍光が消光（消される）
- オンの状態：
- カルシウムイオンが存在すると、タンパク質の形状が変化
- その結果、トリプトファンが色素から離れる
- 色素の蛍光が回復し、光を発する
このメカニズムは、スイッチのように働き、カルシウムの存在を視覚的に検出することを可能にしている。カルシウムイオンの有無によって蛍光のオン/オフが切り替わるため、生きた細胞内でのカルシウムシグナルを観察するための効果的なツールとなっている。
ファランツは、ジャネリアで起こる交流や共同作業がなければ、このプロジェクトは実現しなかっただろうと述べている。ジャネリアでは、彼女や他の化学者が、生物学者が実際に必要と望むツールを構築することができる。
「私は、物いじりやツールの作成を本当に楽しんでいます。しかし、自分が作成しているものやいじっているものが、誰かの役に立つとわかれば、それが楽しく、やりがいのあることだと思います」とファランツは言います。「それが私がJaneliaを好きな理由です。日常的に人と交流できるのです。それは科学の世界全体でも同じですが、Janeliaは特別な場所です。」