オプトジェネティクス

～光工学と遺伝学による行動制御技術の最前線～

■第1編　光受容タンパク質の研究動向～チャネルロドプシン，ハロロドプシンを中心に～
総論 　光受容タンパク質研究の現状
1． ロドプシンとは
2． 微生物型ロドプシンの登場と膜タンパク質研究の代表としてのバクテリオロドプシン
3． 微生物型ロドプシンの広がりとチャネルロドプシンの驚き
4． オプトジェネティクスのためのチャネルロドプシンの最適化
5． オプトジェネティクスのためのロドプシン研究の展望
第１章　構造解析
第1節 チャネルロドプシンの構造機能解析
1． ロドプシンの分類
2． ChR の発見とオプトジェネティクスの発展
3． C1C2 の全体構造
4． C1C2 とbR の構造比較
5． 光サイクルの初期反応
6． 陽イオン透過経路
7． 透過経路上に存在するゲート
8． 立体構造情報をもとにしたツールデザインの可能性
9． おわりに
第2節 ハロロドプシンの構造と分子機能の解明
1． はじめに─ハロロドプシンの発見
2． BR の光化学反応
3． HR の分子機構
4． おわりに
第3節 光駆動性塩素イオン輸送タンパク質ハロロドプシンの構造
1． はじめに
2． ハロロドプシン類のアミノ酸配列と分子進化
3． ハロロドプシンの立体構造解析
4． ハロロドプシン中間体の構造解析
5． ハロロドプシンの塩素イオン輸送メカニズム
第２章　光受容タンパク質の開発と機能解明
第1節 調製困難なロドプシン類の機能的大量合成法
1． はじめに
2． ロドプシン類の生細胞発現系
3． 無細胞タンパク質合成
4． 膜タンパク質の無細胞タンパク質合成法
5． 微生物型ロドプシン類の大量合成と構造・機能解析への応用
6． おわりに
第2節 動物のロドプシン類の多様性と機能解析
1． 動物のロドプシン類
2． ロドプシン類の多様性
3． 光再生型ロドプシン類（Bistable pigment）と退色型ロドプシン類の分子特性の比較
4． 多様なロドプシン類のオプトジェネティクスへの応用
5． おわりに
第3節 微生物型ロドプシンの光誘起イオン輸送メカニズムの解明
1． はじめに
2． 光反応に伴う構造変化解析に有効な赤外差分光法
3． プロトンポンプタンパク質バクテリオロドプシン
4． 塩化物イオン輸送タンパク質ハロロドプシン
5． イオンとタンパク質との相互作用解析に有効な全反射赤外分光法
6． 1 層の脂質2 重膜中での膜タンパク質の計測を可能にする表面増強赤外分光法
7． おわりに
第4節 ロドプシンの波長制御と光情報変換機構
1． はじめに
2． 波長制御（オプシンシフト）
3． 光情報変換機構（光センシング）
4． おわりに
■第2編　オプトジェネティクスの基礎研究
総論 　オプトジェネティクスの未来展望
1． はじめに
2． 光感受性タンパク質の多様化
3． 多様な細胞機能の操作
4． 標的細胞への導入
5． おわりに
第１章　光の制御
第1節 光遺伝学ツールを用いた光制御および蛍光測定手法の開発
1． はじめに
2． 光アクチュエータ分子の歴史
3． 蛍光センサ分子の歴史
4． 光遺伝学ツール開発の実際─蛍光Ca2＋センサを例として
5． 今後の課題 　
6． おわりに
第2節 光ファイバーを用いた神経活動の操作と観察手法
1． はじめに
2． 光ファイバーの構造と適切な選択
3． 光ファイバーを用いた神経活動の観察手法
4． 光ファイバーを用いた神経活動の操作手法
5． おわりに
第２章　遺伝子導入動物の開発とオプトジェネティクス研究
第1節 線虫を用いたオプトジェネティクス研究
1． はじめに─線虫でオプトジェネティクスを行う理由
2． 導入方法と注意点
3． 研究例
4． おわりに
第2節 ショウジョウバエを用いたオプトジェネティクス研究
1． ショウジョウバエ
2． ショウジョウバエにおける遺伝子導入技術
3． ショウジョウバエ幼虫を用いたオプトジェネティクスの実際
4． オプトジェネティクスを用いた研究例
5． まとめと展望
第3節 ゼブラフィッシュを用いたオプトジェネティクス研究─多段階光遺伝学と単一細胞光遺伝学へ─
1． はじめに
2． ChR2
3． NpHR
4． 多段階光遺伝学
5． 単一細胞光遺伝学
6． おわりに
第4節 マウスを用いたオプトジェネティクス研究
1． はじめに
2． 神経科学者は，なぜ細胞種特異的発現にこだわるのか
3． 脳の細胞の形と機能と遺伝子発現
4． ナマの神経細胞の活動を知りたい
5． 神経活動を知った後に，ヒトは操作したくなる
6． マウスでオプトジェネティクスにチャレンジ
7． 妄想と現実の直視と突破
8． 細胞種特異的にChR2 を発現するマウス
9． おわりに
■第3編　オプトジェネティクスの応用研究
総論 　応用研究最前線
1． オプトジェネティクスの特徴─従来手法との比較
2． 光による神経活動操作から行動制御へ
3． 光活性化タンパク質の特定神経への発現
4． 今後の展開
第１章　神経科学研究への応用
第1節 オプトジェネティクスを用いた異常行動の神経メカニズムの解明
1． はじめに
2． 精神疾患の遺伝学とモデル動物の利点
3． オプトジェネティクスの応用
4． おわりに
第2節 脳におけるグリアの役割を光で探る
1． はじめに
2． 脳の大半を占めるグリア
3． 意外に活発なグリアの活動
4． グリア研究の問題点
5． グリア細胞活動の光操作法の開発
6． グリア細胞からのグルタミン酸放出
7． グリア細胞の活動による学習の促進
8． 今後の課題
第3節 神経活動に伴う神経可塑性現象の解明
1． 神経可塑性研究
2． オプトジェネティクスによる変革
3． In vivo 研究
4． まとめ─神経可塑性研究へのオプトジェネティクスの応用
第4節 オプトジェネティクスを用いた睡眠覚醒の制御
1． 睡眠覚醒とは─覚醒，ノンレム睡眠，レム睡眠
2． 睡眠覚醒を制御するフリップフロップ回路─睡眠中枢と覚醒中枢
3． オレキシンとナルコレプシー
4． 自由行動下での有線式光照射装置
5． オレキシン神経活性化による覚醒惹起
6． オレキシン神経急性抑制によるノンレム睡眠惹起
7． オレキシン神経長期抑制によるノンレム睡眠時間の増加
8． 青斑核ノルアドレナリン神経の活動制御による睡眠覚醒制御
9． これからの展望
第5節 オプトジェネティクスによる霊長類の行動制御の可能性
1． はじめに7
2． 研究の目標
3． 今後の展望
第6節 オプトジェネティクスによる神経細胞シナプス内シグナル伝達分子活性化イメージング
1． 研究の背景
2． 組織内神経細胞中のシナプス分子活性化の可視化
3． 光遺伝学的プローブを用いた単一スパイン内での低分子量G タンパク質Rho GTPase の活性化観察
4． 単一スパイン内でのアクチンの重合/脱重合イメージング
5． 今後の展望と可能性
第２章　医療への応用
第1節 視細胞における光遺伝学的再生医療に関する研究
1． はじめに
2． 網膜の構造
3． 視細胞への注目
4． 医療応用への期待
第2節 チャネルロドプシンによる遺伝子治療の開発
1． チャネルロドプシン2 の特性
2． 視細胞変性への応用
3． 視細胞変性モデルを用いた視覚再建研究
4． 遺伝子治療法の確立に向けて
5． おわりに
第３章　デバイス開発
第1節 神経回路ハイスループットスクリーニング素子開発におけるチャネルロドプシンの利用
1． はじめに
2． 培養型プレーナーパッチクランプバイオセンサ
3． センサチップ
4． 塩橋型安定電極
5． HEK293 細胞へのChRWR とTRPV1 の発現
6． バイオセンサ中での培養
7． イオンチャネル電流記録
8． イオンチャネルバイオセンサによるカプサイシンの検知
9． 多チャネルバイオセンサの開発と神経細胞ネットワークへの応用
10． おわりに
第2節 オプトジェネティクス向けCMOS イメージセンサ
1． はじめに
2． CMOS 技術によるオプトジェネティクス向けイメージセンサのコンセプト
3． オプトジェネティクス向けCMOS イメージセンサの設計・試作
4． オプトジェネティクス向けCMOS イメージセンサの機能評価
5． ロドプシンタンパク発現細胞での光刺激機能評価
6． おわりに
第3節 光遺伝学的プローブによる細胞活動可視化技術
1． カルシウム感受性蛍光センサタンパク質による細胞活動の可視化
2． 最近の新規カルシウム感受性蛍光タンパク質
3． おわりに