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2021年8月27日
State of the Nation
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遺伝子組み換えの「マグニート＝磁化された」タンパク質が脳と行動を遠隔操作する。
「磁化されたタンパク質で脳細胞を迅速・可逆的・非侵襲的に活性化する "ワル "な新手法」
モー・コスタンディ
ガーディアン
米国の研究者らは、複雑な動物の行動に関連する脳回路を制御する新しい方法を開発した。遺伝子工学を利用して磁化タンパク質を作り、離れた場所から特定の神経細胞群を活性化させるのである。
脳がどのようにして行動を生み出すのかを理解することは、神経科学の究極の目標の一つであり、最も困難な問題の一つでもある。近年、研究者たちは、特定の神経細胞群を遠隔操作したり、神経回路の働きを調べたりするための方法を数多く開発してきた。
中でも最も強力なのは、オプトジェネティクス（光遺伝学）と呼ばれる方法で、レーザー光のパルスを利用して、関連するニューロンの集団をミリ秒単位の時間スケールでオン・オフさせることができる。また、最近開発されたケモジェネティクスは、デザイナーズドラッグによって活性化される人工タンパク質を使い、特定の細胞タイプにターゲットを絞ることができる方法である。
この2つの方法は強力ではあるが、いずれも欠点がある。
オプトジェネティクスは、光パルスを脳に届けるために光ファイバーを挿入する必要があり、侵襲的である。さらに、光が密集した脳組織を透過する範囲は極めて限定的である。化学遺伝学的アプローチは、これらの制限を克服しているが、神経細胞を活性化するのに数秒かかる生化学的反応を引き起こすのが一般的である。
加熱したナノ粒子で脳活動を遠隔制御する
バージニア大学シャーロッツビル校のアリ・ギュラーの研究室で開発され、『Nature Neuroscience』誌のオンライン版で先行公開されたこの新技術は、非侵襲的であるだけでなく、神経細胞を迅速かつ可逆的に活性化することができます。
熱や機械的圧力で活性化する神経細胞のタンパク質は、フェリチンと呼ばれる鉄を貯蔵するタンパク質や無機常磁性粒子にくっつけることで、電波や磁場に敏感になるよう遺伝子操作できることが、これまでのいくつかの研究で明らかになっている。これらの方法は重要な進歩であり、例えば、マウスの血糖値を調節するためにすでに使用されている。
今回の技術は、このような従来の研究を基に開発されたもので、温度と伸縮力の両方に敏感なTRPV4というタンパク質が基になっている。TRPV4は、温度と伸縮の両方に敏感で、これらの刺激によって中心孔が開き、細胞膜に電流が流れ込むと、神経信号が脊髄に伝わり、脳に到達する。
そこでギュラー教授らは、磁気トルク（回転力）がTRPV4の中心孔を開いて活性化するのではないかと考え、遺伝子工学を用いて、このタンパク質とフェリチンの常磁性領域、およびタンパク質を神経細胞膜に輸送し、そこに挿入するよう細胞に働きかける短いDNA配列を融合させることに成功した。
マグネトを用いたゼブラフィッシュの生体内行動操作。ゼブラフィッシュの幼生は、局所的な磁場に反応して巻き付き行動を示す。Wheelerら（2016）より。
ペトリ皿で増殖しているヒト胚性腎臓細胞にこの遺伝子構築物を導入すると、細胞は磁化タンパク質を合成し、その膜に挿入した。磁場をかけると、細胞内のカルシウムイオン濃度が一過性に上昇し、それが蛍光顕微鏡で検出されたことからわかるように、操作されたTRPV1タンパク質が活性化されました。
次に研究チームは、マグニートのDNA配列をウイルスのゲノムに挿入し、緑色蛍光タンパク質をコードする遺伝子と、特定の種類の神経細胞でのみ発現するようにする制御DNA配列も一緒に挿入した。そして、このウイルスをマウスの脳内（内嗅皮質）に注入し、脳を解剖して緑色の蛍光を発する細胞を同定した。そして、微小電極を用いて、脳切片に磁場をかけるとMagnetoが活性化し、細胞から神経信号が出ることを示した。
さらに、マグ二ートが生きた動物の神経活動を操作できるかどうかを調べるため、ゼブラフィッシュの幼生にMagnetoを注入し、通常は逃走反応を制御する体幹と尾の神経細胞を標的にした。その後、ゼブラフィッシュの幼生を磁気を帯びた水槽に入れ、磁場にさらすと、逃避反応の際に起こるのと同じようなコイル運動が引き起こされることを発見しました。(この実験には合計9匹のゼブラフィッシュの幼生が参加し、その後の分析で、1匹の幼生に約5個のマグニートを発現するニューロンがあることが判明した)。
光で脳の活動を読み書きする研究者
最後の実験では、自由行動下にあるマウスの線条体（報酬や意欲に関与するドーパミン産生ニューロンを含む脳深部構造）にマグニートを注入し、磁化セクションと非磁化セクションに分かれた装置に動物を配置した。磁性体を発現しているマウスは、発現していないマウスに比べ、磁化された領域にいる時間が非常に長くなりました。これは、磁性体を発現している線条体ニューロンが活性化することでドーパミンが放出され、マウスがその領域にいることが報酬につながると考えたためです。これは、磁性体が脳深部の神経細胞の発火を遠隔操作し、複雑な行動を制御できることを示している。
ハーバード大学の神経科学者スティーブ・ラミレスは、光遺伝学を使ってマウスの脳内の記憶を操作しているが、この研究は「ワルい」ものだという。
「磁石を使って神経細胞の活動を制御するこれまでの試みは、磁性粒子の注入、熱に敏感なチャネルを発現するウイルスの注入、コイルで磁気の変化を誘発できるように動物を頭部固定するなど、システムが機能するための複数の構成要素を必要としました。」と彼は説明します。"多成分系を持つことの問題は、個々の部品が壊れる余地が大きすぎるということです"。
"このシステムは、脳のどこにでも注入できる単一のエレガントなウィルスで、技術的に簡単で、動くベルやホイッスルが壊れる可能性が低くなっています。"と彼は付け加え、"彼らの行動装置は、動物が自由に動き回れるように、適宜磁石を含むように巧妙に設計されています。"
「磁性遺伝学」は、それゆえに、神経科学者の道具箱に追加される重要なもので、間違いなくさらに発展して、脳の発達と機能を研究する新しい方法を研究者に提供してくれることでしょう。
参考文献
ウィーラー、M.A.、他（2016）。神経系の遺伝的標的磁気制御。Nat. Neurosci., DOI: 10.1038/nn.4265 [アブストラクト].
参考記事
1 ドーパミンと哺乳類の報酬系を操作する光遺伝学？2015年
2 ドーパミンと光遺伝学、2013年
3 強磁性ナノワイヤーの細胞内在化
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