(57)【要約】【課題】何らかの原因で脳・神経系における情報の伝達に障害を受けると、色々な機能障害が発生する。例えば、網膜の光受容細胞が変性すると視覚を失い、脊髄を損傷すると下半身不随といった運動機能障害を起こす。これらの機能障害を軽減するためには失われた脳・神経系での情報伝達機能を他の手段で代替えすることが必要となる。【解決手段】もともとそのような機能を有しない神経細胞に光感受性を賦与することにより、光信号を情報源として利用することで、脳・神経系での失われた機能を補助することができる。より詳細には、生物界に存在する光受容体チャネルおよびその改変タンパク分子を遺伝子導入し、発現させることにより、光感受性を新たに賦与した神経細胞を作製することができる。作製した光感受性を賦与された神経細胞を、脳などの神経細胞ネットワークに組み込むことにより、情報や信号を、他の神経細胞を介さずに、光を用いてインプットすることが可能となり、失われた機能の回復を図ることができる。【選択図】        図８
2006217866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光受容体チャネルを遺伝子工学的に導入・発現させ光感受性を新たに賦与した神経細胞
【請求項２】
光受容体チャネルが、クラミドモナスなどの緑藻類その他の生物に由来する光受容体チャネルおよびその改変タンパク質である請求項1に記載の光感受性神経細胞。
【請求項３】
光受容体チャネルを遺伝子工学的に導入・発現させた神経細胞がヒトを含む脊椎動物の脳および脊髄を構成する神経細胞である請求項1に記載の光感受性神経細胞。
【請求項４】
光受容体チャネルを遺伝子工学的に導入・発現させた神経細胞が眼球、内耳前庭系、鼻粘膜、舌などの感覚器に含まれる神経細胞である請求項1に記載の光感受性神経細胞。
【請求項５】
光受容体チャネルを遺伝子工学的に導入・発現させた神経細胞が運動・感覚などをつかさどる末梢神経を構成する神経細胞である請求項1に記載の光感受性神経細胞。
【請求項６】
光受容体チャネルを遺伝子工学的に導入・発現させた神経細胞が交感神経、副交感神経、内臓神経などの自律神経を構成する神経細胞である請求項1に記載の光感受性神経細胞。
【請求項７】
光受容体チャネルを遺伝子工学的に導入・発現させた神経細胞が昆虫などの無脊椎動物の神経細胞である請求項1に記載の光感受性神経細胞。
【請求項８】
光受容体チャネルを遺伝子工学的に導入・発現させた神経細胞が培養神経細胞である請求項1に記載の光感受性神経細胞。
【請求項９】
光照射により、Na+などのイオンの透過性が増大し、膜電位がプラスまたはマイナス方向に変位する性質を有する請求項1に記載の光感受性神経細胞。
【請求項１０】
光照射により、Ca2+などのイオンの透過性が増大する性質を有する請求項1に記載の光感受性神経細胞。
【請求項１１】
請求項2に記載の光受容体チャネルの遺伝情報を組み込んだDNAおよびRNAウィルスベクター。
【請求項１２】
請求項2に記載の光受容体チャネルの遺伝情報が組み込まれた遺伝子改変動物。
【請求項１３】
請求項2に記載の光受容体チャネルの遺伝情報が組み込まれた幹細胞。
【請求項１４】
請求項2に記載の光受容体チャネルを生体の内部および外部において光刺激するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光感受性を新たに賦与した神経細胞に関する。より詳細には、本来光感受性を有しない神経細胞に、光受容体チャネルをコードする遺伝子を遺伝子工学的に導入・発現させることにより、光感受性を賦与した神経細胞に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒトの網膜にある光受容細胞は、可視光に応答して膜電位が変化し、明状態でマイナス（過分極）側に、暗状態でプラス（脱分極）側に変位する。すなわち、光の明暗情報を電気的な情報に変換する機能を担っている。脊椎動物の光受容体細胞では、ロドプシン→Gタンパク質→フォスフォジエステラーゼ→サイクリックGMP→サイクリックGMP受容体チャネルの分子の連鎖反応により、光によりロドプシン分子に引き起こされた構造変化がイオンチャネルに伝えられ、電気的な信号に変換される。これに対し、ヒトやその他の動物の中枢および末梢神経系にある神経細胞の多くは、光に対する応答性を有しない。多くの神経細胞は、他の神経細胞からのみ情報を受け取っており、その主要なメカニズムは、シナプスにおける伝達物質の放出と伝達物質の化学受容である。
【０００３】
しかし、何らかの原因で脳・神経系における情報の伝達が障害を受けることがある。たとえば、網膜の光受容体細胞が変性すると、眼球に入った光情報が脳に伝えられなくなり、失明する。交通事故などで脊髄を損傷すると、脳において生じた運動指令が脊髄の運動神経に伝えられなくなり、下半身が不随になる。これらの機能障害は、損傷された情報伝達経路を他の手段によりバイパスすることにより軽減されることが期待される。このようなバイパス手段により機能障害を軽減する試みとして、神経細胞の電気刺激などに応答する特性を利用して、電気刺激法などにより、感覚や運動の障害を改善することが検討されてきた。また、脳・神経系を用いた基礎・応用研究においては、神経細胞を直接電気刺激し、その出力応答を計測することにより、脳・神経系の機能が解析されてきた。しかし、電気刺激法などの従来の神経細胞刺激法は、時間、空間または両方において高い分解能の得られない問題があった。また、多くの場合、神経細胞やその周辺の組織を傷つける（侵襲的である）という欠点があった。
【０００４】
ここで、生物界に広く目を向けてみると、生物はさまざまな方法で光を感知し、行動を制御していることが知られる。生物界に分布する光感受性のタンパク分子の多くは、ロドプシンファミリーに属するが、そのシグナル伝達機序は多様である（非特許文献１参照）。したがって、光感受性のタンパク分子を、遺伝子工学的に神経細胞に導入・発現させることにより、光感受性を賦与された神経細胞を脳・神経系に組み込むことが、原理的に可能である。しかし、現在に至るまで、実用的なものは得られていない。Zemelman等は、ショウジョウバエ由来のアレスチン-2、ロドプシン、Gqaを培養神経細胞に共発現させることにより、光感受性を賦与された神経細胞が得られることを報告している（ChARGe法）（非特許文献２参照）。
【０００５】
しかし、3種類の遺伝子を導入する方法は、安定した結果を得ることが難しいとともに光応答速度が遅いという欠点がある。また、Banghart等は電位感受性カリウムチャネルを化学修飾することにより、光感受性を賦与された神経細胞が得られることを報告している（SPARK法）（非特許文献３参照）。
【０００６】
しかし、生きた動物の脳にある神経細胞を化学修飾することには困難がある。また、光応答速度が秒オーダーと遅いので、その適用には限界がある。
【０００７】
淡水池沼に普通に生息しているクラミドモナスは、葉緑体を持ち、光合成をする単細胞真核生物である緑藻類に属している。クラミドモナスは、眼点と呼ばれる特殊な膜領域で光を受容し、鞭毛運動を制御することにより、光に集まる習性（走光性）を有している。クラミドモナスの一種Chlamydomonas reinhardtiiの眼点に分布しているロドプシンファミリータンパク質の遺伝子配列が解明され、公開されている（非特許文献４参照）。
このタンパク質は、可視光に応答してイオンを透過させ、膜電位を制御しているので、生物界における光受容体チャネルの事例である（非特許文献５、６参照）。したがって、この分子単独で膜電位を変化させている特徴がある。クラミドモナスにおいては、2種類の光受容体チャネル、チャネルオプシン1とチャネルオプシン2がある。チャネルオプシン1は、カエル（ゼノパス）の卵母細胞に発現させると、光に応答してH+を透過させる性質をもっている（非特許文献５参照）。
【０００８】
チャネルオプシン2は、Na+などの陽イオン透過性もあわせもち、培養哺乳類細胞（HEK293、 BHK）に発現させることで、400-500 nmの青色光に応答した脱分極が引き起こされることが報告されている（非特許文献６）。チャネルオプシンは、光受容体チャネルの一種であり、単一の分子で、光感受性とイオンチャネルの機能をあわせ持っているので、現在得られるもののなかで最も応用の可能性の高いものであるが、神経細胞に発現した報告はない。
【０００９】
網膜にある光受容細胞が変性して視力を失った場合に、網膜の神経節細胞は健常であるので、光受容細胞の役割を他の方法にて実現できれば視力を回復できる可能性がある。そのような試みの一つとして、光感受性を有する有機化学材料を用いて、光情報を電気信号に変換し、視神経を電気刺激する方法が知られている（特許文献１参照）。また、眼球に入った光を増幅し、画像を受信し、そのデータを電気信号として微少な電極に伝え、網膜神経を直接電気刺激することにより、視覚を回復するいわゆる人工網膜の試みもなされている（特許文献２参照）。
【００１０】
しかしながら、これらの方法では空間解像度に限界があるし、人工網膜の場合は眼球やその近くに埋め込む手術が必要で、長期使用に耐えられないといった問題点が残されている。
【非特許文献１】Ridge K. (2002) Current Biology 12:R588-G590.
【非特許文献２】Zemelman B. V. et al. (2002) Neuron 33:15-22.
【非特許文献３】Banghart M. et al. (2004) Nature Neuroscience 7:1381-1386.
【非特許文献４】GenBank accession no. AF461397.
【非特許文献５】Nagel et al., 2002, Science 296, 2395-2398.
【非特許文献６】Nagel et al., 2003, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 100, 13940-13945.
【特許文献１】特開２００４−１２１２９２（Ｐ２００４−１２１２９２Ａ）号公報
【特許文献２】特表２００２−５３８９３６（Ｐ２００２−５３８９３６Ａ）号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、何らかの原因で脳・神経系における情報の伝達が障害を受け、それ故に視覚障害や運動障害といった色々な機能障害が生じた場合に、損傷を受けた情報伝達経路を他の手段によりバイパスすることで軽減できる有効な手段を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題は、神経細胞に新たに光感受性を賦与することで達成できることを本発明者等は見いだした。光感受性は、光受容体チャネルを遺伝子工学的に神経細胞に導入・発現させることにより、賦与することができる。より詳細には、緑色藻類のクラミドモナスその他の生物に由来する光受容体チャネルおよびその改変タンパク分子を、遺伝子工学的に神経細胞に導入・発現させることにより、光照射に応答し膜電位をプラス（脱分極）方向またはマイナス（過分極）方向に変位させる神経細胞を作製することができる。本明細書において、光受容体チャネルとは、光受容体としての機能とイオンチャネルの機能を単一の分子においてあわせもつ分子をいう。
【００１３】
本発明者らは、遺伝子工学的方法を用いて、緑色藻類のクラミドナスに由来するチャネルオプシンをラットの内分泌細胞および神経細胞に発現させ、青色発光ダイオードによる光パルスにより、十分大きな脱分極が引き起こされ、神経細胞に新たな活動が引き起こされることを確認した。
【００１４】
今後、クラミドモナスのチャネルオプシン以外のさまざまな光受容体チャネルが発見されることが予想される。これらは、光の強さや波長に対する応答特性、チャネルとしてのキネティクスやイオン透過性の特性において異なることが予想される。また、これらの生物由来の光受容体チャネルを修飾・改変することにより、さまざまな特性を有する光受容体チャネルを作り出すことができる。すなわち、本発明によれば、光受容体チャネルを遺伝子工学的に神経細胞に導入・発現させることにより、より詳細には、生物由来の光受容体チャネルおよびその改変タンパク分子の情報を含む遺伝子が人工的に組み込まれることにより、新たに光感受性を獲得し、強さや波長の異なるさまざまな光刺激に応答し、膜電位をプラス（脱分極）側またはマイナス（過分極）側に変位させるような神経細胞を得ることができる。このような神経細胞を用いることで、機能障害を受けた脳・神経系の情報伝達の代替をさせることができる。
【００１５】
また本発明は、光受容体チャネルの遺伝情報を組み込んだDNAおよびRNAウィルスベクターを介して、新たに光感受性を獲得した神経細胞、光受容体チャネルの遺伝情報が組み込まれた遺伝子改変動物を作成して得られる、新たに光感受性を獲得した神経細胞、光受容体チャネルの遺伝情報が組み込まれた幹細胞を作成して得られる、新たに光感受性を獲得した神経細胞なども提供することで、広範囲の機能障害への対応を可能とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、遺伝子工学的に光感受性を付加した神経細胞を既存の神経回路に組み込む効果があるので、高い空間解像度で、細胞特異的に、これを傷つけることなく（非侵襲的に）、光情報を神経回路にインプットするという効果が得られる。遺伝子導入された神経細胞は、恒常的に光感受性を付加され、また、特に大掛かりな装置を必要としないで光刺激することができるので、コストパフォーマンスに優れた効果が得られる。また、ウィルスベクター法、ジーンガン法、トランスジェニック法などと併用することにより、生きているヒトや動物の脳・神経系に光感受性を新たに獲得した神経細胞を組み込むことができるので、インビボでこれらの光感受性神経細胞を介して、長期間にわたり非侵襲的に情報や信号を脳・神経性にインプットできる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００１８】
（１）Chop2-Venus発現プラスミドの作製 
チャネルオプシンは、7回膜貫通型のロドプシン様構造を有していると推定される。N末の細胞外ドメインにレチナール結合部位があり、光子反応により、レチナールが光学異性
体変換することによる構造の変化により、チャネルが開口し、H+やNa+の陽イオンが透過し、膜電位がプラス変位する。図1Aは、チャネルオプシンの一種のチャネルオプシン２(chop-2)のアミノ酸一次配列のN末315残基である。膜貫通部位と推定されるドメインを太字で示した。チャネルオプシン２などのタンパク質は、DNAやRNAなどの核酸による遺伝子配列情報にもとづいて、細胞において合成されている。本実施例におけるチャネルオプシン-2 (Chop2) のcDNAはドイツ・マックス-プランク研究所のNagel博士から分与された。このプラスミドは、chop2のアミノ酸１〜315残基の塩基配列がpBK-CMV-Δ[1098-1300] ベクターのBamHI/HindIIIサイトにクローニングされたもので、このプラスミドベクターをDH5αコンピテント細胞に導入し、カナマイシンで選抜した後、プラスミドDNAを精製した。このプラスミドを鋳型にして２種類の合成プライマー (5’- gcgaattccaccatggattatggaggcgccctg-3’、 5’- gcggatccttgccggtgcccttgttgaccg-3’) を用いてPCR反応を行い、両端にEcoRIとBamHI部位を持つchop2 cDNAフラグメントを調製した。このcDNAフラグメントをpVenus-N1（Clontech社のpDsRed2-N1のDsRed2を蛍光タンパク質の一種であるVenusのDNA配列に置換したもので発明者らが以前に作製した）のEcoRI/BamHIにサブクローニングして、chop2とVenusの融合タンパク質 (chop2-Venus) を発現させるプラスミドベクターを作製した。この結果、チャネルオプシン２遺伝子DNA配列の3’末をVenusに置き換えた配列からなるDNA鎖 (chop-2-Venusコンストラクト)を組みこんだプラスミドベクターを得た。図1B、 Cは、それぞれ、chop-2-VenusコンストラクトのDNA配列情報にもとづいて、遺伝子導入された細胞において合成されるタンパク質の１次構造と３次構造を推定したものである。レチナールは、生体内に普遍的に存在しており、自然にタンパク質に組み込まれる。図1Cには、このタンパク質と細胞膜の位置関係図も示した。
【００１９】
（２）PC12細胞の培養
ラット副腎髄質細胞由来のPC12細胞はコラーゲンコート処理を施した 60 mm プラスチックディッシュ上で培養し維持した。培養液には85％ RPMI1640培地、10％ ウマ血清、5％ ウシ胎仔血清、 25 units/ml ペニシリン、25 mg/ml ストレプトマイシンを用いた。遺伝子導入操作を行う前にポリ-L-リジンコート処理を施した12 mm丸形カバーガラス上に細胞を播き、30-50%コンフルエントになった時点で、遺伝子導入処理を行った。遺伝子導入処理の後3~5日経ったものを機能検定に用いた。培養液は3日に一度、半量だけ交換した。継代は週に一度、コンフルエントになる前に行った。
【００２０】
（３）大脳皮質神経細胞の培養
大脳皮質神経細胞は、凍結大脳皮質を用いて調製した。凍結大脳皮質は、妊娠18日齢のSplague-Dawley系ラットの胎仔の脳から大脳皮質を取り出し、凍結用培地（60% MEM、20%
ハンクス平衡塩溶液、15% ウシ胎仔血清、5% ウマ血清、40 mM グルコース、8% ジメチルスルホキシド、2 mM グルタミン）にて液体窒素中で凍結保存した。この凍結大脳皮質を解凍し、0。6% グルコースを含むハンクス平衡塩溶液で５分間×1回、培地（60% MEM、
20% ハンクス平衡塩溶液、15% ウシ胎児血清、5% ウマ血清、30 mMグルコース、2 mMグルタミン、1 mMピルビン酸ナトリウム）で５分間×２回の洗浄後、SUMILON社の神経細胞分散液を用いて大脳皮質を分散させた。分散した細胞はポリ-L-リジンコート処理を施した12 mm丸形カバーガラス上に３×105個の密度で播き、37℃、5% CO2条件下で培養し、培養７〜10日後に遺伝子導入処理を行った。遺伝子導入後さらに一週間ほど培養した神経細胞を、機能検定に用いた。培養液は作製の翌日に全量交換し、その後は三日ごとに半量交換した。
【００２１】
（４）遺伝子導入
PC12細胞あるいは大脳皮質神経細胞へのchop2-Venus遺伝子の導入にはQiagen社のEffectene(R) Transfection Reagentを用いて、メーカー指定の方法にて遺伝子導入を行った。遺伝子導入には12 mm丸形カバーガラス１枚辺り0。2〜0。4 μgのchop2-Venus発現プラスミドを用いた。
【００２２】
（５）実験装置
レチナールを結合したチャネルオプシン2は400-500 nmの光の波長に反応するので、細胞を顕微鏡下まで運ぶ際や、明視野で観察する際に青色光の含まれない環境を作った。実験室の照明には黄色の蛍光灯（パナソニックFL 40S。Y-F）を用い、520 nm以下の波長の光を遮断した。また、CRTモニターの背景色を黄色にした。以下の装置はすべて、エアーテーブル上に設置し、振動の影響を除去した。また、暗幕内に設置し、室内光の影響を除去した。主要な装置の概略を図2に示した。
・  正立型落射蛍光顕微鏡（オリンパスBH2-RFC）：細胞観察時の透過光はGIFフィルターを介し、波長490 nm以下の光のを遮断した。落射光源には、キセノンランプと青色発光ダイオードを用い、両者は光路の途中においたチョッパー（オリンパスOSP-EXCH）により切り替えた。キセノンランプ光は、Venusの励起・観察に用い、光のON-OFFは、電磁シャッターにより制御した。フィルターおよびダイクロイックミラーの組み合わせにより、励起光波長 450-490 nm、 蛍光波長 >515 nmによりChop2-Venusを発現している細胞を同定した。対物レンズには、60倍水浸レンズ（オリンパスLUMplanPl/IR60x）を用いた。
・  青色発光ダイオード（OSUB5111A; OptoSupply）：電気刺激装置（日本光電SEN-7203）により作成した矩形波パルス電流により点灯した。青色光はダイクロイックミラーを介して、顕微鏡対物レンズに導入した。
・  顕微鏡用XY駆動装置（メディカル・エイジェントOXY-1）：後述の3次元マイクロマニピュレーターを固定部に設置し、前述の正立型落射蛍光顕微鏡を駆動部に設置した。マイクロメーターにより、X-Y2軸方向の駆動をそれぞれ微細に制御した。
・  3次元マイクロマニピュレータ（ナリシゲMX-1R）：後述のパッチ電極のホルダーをX-Y-Zの三軸方向に駆動した。それぞれの駆動軸には、粗動と微動の両様式を併用した。
・  測定用チェンバー：透明アクリル板を加工し、低部にカバーグラスを貼り付けた。ぺリスタポンプにより、ガス交換チューブ（95% O2、5% CO2混合ガスを通気させる）を介し、チェンバーに人工脳脊髄液（表1）を循環させた。チェンバー内に培養細胞を付着させたカバーグラスを置いた。
・  フォトダイオード（シャープBS500B）：チェンバーの真下に受光部を置き、微小電極用増幅器に接続した。
【００２３】
（６）計測・記録装置およびデータ解析
PC12細胞および培養神経細胞の膜電位と膜電流を同時計測した。また、照射光の強さをフォトダイオード電流として同時計測した。これらは、アナログ−ディジタル変換し、コンピューターに記録した。計測には以下の装置を用いた。
・  パッチクランプ増幅器（アキソンAXOPATCH200A）：パッチ電極を介して、フィードバックにより膜電位を一定に維持したときの膜電流を計測した（電位固定実験）。また、フィードバックにより膜電流を一定にしたときの膜電位を計測した（電流固定実験）。
・  微小電極用増幅器（日本光電MEZ-8201）：フォトダイオードに20 nAの逆電流を通電しながら、光電流を計測した。計測値は、青色発光ダイオードの最大出力にたいする相対値であらわした。
・  アナログ−ディジタル変換装置（アキソンDIGIDATA1200）：パッチクランプ増幅器の電流出力および電圧出力、微小電極用増幅器の電圧出力をアナログ−ディジタル変換し、コンピューターに出力した。
・  コンピューター（デルOptiplex GXi）：データ取得ソフトウェア（アキソンAxoScope
Ver。8。2）を用いてデータを取得した。データの解析には、Clamp-fit Ver。8。2（アキソン）とMicrosoft Excelを用いた。
【００２４】
（７）ホールセルパッチクランプ法
チャネルオプシン２タンパク質を発現しているPC12細胞が光感受性を新たに獲得したか否かをホールセルパッチクランプ法により確認した。すなわち、直径1。5 mmの内芯入り
ガラス管（ハーバード・アパラータスGC150F）をパッチピペットプラー（ナリシゲPC-10）を用いて加熱牽引し、先端径2-2。5 mmのガラス管ピペット（パッチピペット）を作製し、先端をマイクロフォージ（ナリシゲMF-830）にて加熱研磨した。パッチピペットの先端までパッチピペット内液（表1）を満たしパッチ電極を作成した。パッチ電極に、陰圧・陽圧チューブ、電線を取り付け、マニピュレーターに固定した。正立落射蛍光顕微鏡下にVenusの蛍光によりChop2-Venusを発現している細胞を同定した。パッチ電極に陽圧をかけながら、細胞に接近させ、細胞表面に押し当ててディンプル（くぼみ）をつくり、陰圧に切り替えて細胞膜をガラス管に付着させ、さらに強い陰圧をかけてガラス管に付着した部位の膜を破り、細胞内部とガラス管内部を電気的に導通させた（ホールセルモード、図3）。ホールセルモードで電位固定実験および電流固定実験をおこなった。
【００２５】
（８）遺伝子導入したPC12細胞の形態
図4Aは、PC12細胞にchop-2-Venusコンストラクトを遺伝子導入し、タンパク分子を発現させたものである。チャネルオプシン2タンパク質を発現している細胞をVenusの蛍光により同定した。共焦点顕微鏡で観察するとチャネルオプシン２タンパク質は、PC12細胞の周囲に限局して分布しており（図4B）、期待どおり細胞膜選択的に発現していることが示唆される。
【００２６】
（９）光受容体チャネルを導入したPC12細胞の光感受性の確認
ホールセルモードで電流固定実験をおこなった結果を図5に示す。青色発光ダイオードの光パルス照射にともない速やかに膜電位がプラス方向へ変位する脱分極応答が認められた（図5A）。図5Aに示した例では、約40 mVプラス変位した。しかし、チャネルオプシン２を発現していない細胞には、電流の発生や膜電位の応答は認められなかった（図5B）。すなわち、光感受性を新たに獲得したPC12細胞を得たことを確認した。光照射による膜電位の変位は、PC12のCa2+チャネルを活性化し、分泌を引き起こすのに十分な大きさである。
【００２７】
ホールセルモードで電位固定実験をおこなった結果を図6に示す。膜電位を-60 mVに固定したときにイオンチャネルを流れる電流を測定したところ、光パルス照射にともない、強さ依存的に細胞外から内へ向かう電流の発生が観測された（図6A）。図6Aおよび以後の図においては、細胞内から外へ向かう電流をプラス、細胞外から内へ向かう電流をマイナスで表示している。光照射により誘発される電流は、ミリ秒オーダーで最大になり、不活性化し、不活性化の遅い定常電流に移行する（図6A）。また、光照射の終了にともない、ミリ秒オーダーで０に戻った。電流のピーク値および定常値の大きさは、光の強さに依存していた（図6B）。定常電流の大きさは、強い光に対して頭打ちになる傾向が認められたが、ピーク電流の大きさは、光が強ければ強いだけ大きな値を示し、本実験で用いたもっとも強い光に対しても、頭打ちになる傾向は認められなかった。すなわち、光照射に対し、大きなダイナミックレンジで、ミリ秒オーダーの速やかな応答を示すPC12細胞を得たことを確認した。
【００２８】
（１０）光受容体チャネルを導入したPC12細胞のイオン透過性に生じた光感受性の確認
人工脳脊髄液（表1）のNa+濃度は153 mMになるよう設定している。電位固定実験において、光照射により活性化される電流の大きさは、電位固定膜電位に依存し、0 mV付近でほぼ０になり、陽性保持電位で外向きに反転した（図 7A）。この特性は、神経細胞のシナプス下膜にあるグルタミン酸受容体チャネルの性質に極めて類似している。グルタミン酸受容体チャネルの場合、シナプス前終末から遊離されたグルタミン酸が結合することにより、陽イオン非特異的なチャネルが開口し、Na+やK+が細胞内外のそれぞれのイオン濃度や細胞内外の電位差に依存して受動的に移動することにより、膜電流や膜電位を発生する。光照射により同様の応答が引き起こされたかを検討する目的で、細胞外液を低Na+緩衝液（表1）に置き換えて、電位固定実験をおこなった（図 7B）。この溶液は、Na+の一部
を非透過性陽イオンのN-メチル-D-グルカミンに置換し、26 mMに減少させているが、他のイオン濃度は人工脳脊髄液と同じである。ピーク電流については、大きさが減少するとともに、反転電位が約40 mV陰性変位した（図 7C）。同様の膜電位およびイオン依存性が定常電流にも認められた（図 7D）。したがって、光照射に応答し、Na+、 K+などの陽イオンを透過させる性質を有するPC12細胞を得た。この性質は、アセチルコリン受容体やグルタミン酸受容体を介する興奮性シナプス応答にきわめてよく似ているので、チャネルオプシン２を導入・発現することにより光感受性を獲得した細胞では、光刺激が興奮性シナプス入力の代替手段として用いられることがわかった。これらの性質は、光感受性を有する神経細胞を作製する素材として、チャネルオプシン２が非常に適している分子であることを意味している。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
（１１）光受容体チャネルを導入した神経細胞の光感受性の確認
図8Aは、ラット胎児の大脳皮質から得られた神経細胞を分散し、培養したものである。神経細胞は、突起を伸ばし、互いにシナプスを作り、ネットワークを形成している。このような培養神経細胞にchop-2-Venusコンストラクトを遺伝子導入した。図8Bのように、Venusの蛍光の存在を手がかりにして、チャネルオプシン２タンパク分子を発現した神経細胞を同定することができる。チャネルオプシン２は、神経細胞の細胞体、突起、終末部に広く分布し、局在は認められなかった。チャネルオプシン２を発現している培養神経細胞にホールセルパッチクランプ法を適用した。電流固定下における静止膜電位は、-60〜-75
mVの範囲にあり、チャネルオプシンを発現していないコントロールの培養神経細胞と差異は認められなかった。チャネルオプシン２を発現している神経細胞に光刺激を行うと、強さ依存的に脱分極し（図 8C）、活動電位が引き起こされた（図8D）。しかし、チャネルオプシン２を発現していない神経細胞においては、光刺激に応答する膜電位の変化は認められなかった。すなわち、chop-2-Venusコンストラクトを遺伝子導入・発現させることにより、新たに光応答性を獲得した神経細胞を得たことを確認した。このような神経細胞は、光刺激に応答して活動電位を引き起こすことを確認した。
【００３１】
（１２）神経ネットワークへの光情報の導入
したがって、チャネルオプシン2を発現することにより光感受性を獲得した神経細胞がネットワークを形成している場合、部位選択的な光照射をおこなうことにより、その神経細胞に活動を引き起こし、ネットワークを機能させることが可能になった（図9A）。また、タンパク質の情報の情報を含む遺伝子DNAの5’側にある非転写型DNA配列領域（プロモーター領域）の特性により、固有の特徴を有する神経細胞に限局して、チャネルオプシン2を発現させることができる。このような場合、光照射に空間的な選択性がなくても、その神経細胞を選択的に刺激することが可能になる（図9B）。このことから、ウィルスベクター法、ジーンガン法、トランスジェニック法などを用いて、チャネルオプシン2遺伝子を導入・発現させ、新たに光感受性を獲得させた神経細胞を生体の脳に作り出すことにより、光照射により、脳をパタン刺激する展望が容易に開かれる。このようなパタン刺激は、脳に情報を直接送信する手段となる。
【００３２】
また、本発明に用いる光受容体チャネルとしては、チャネルオプシン２に限らず、クラミドモナス類やその他の生物に見出される光受容体チャネルおよびその遺伝子改変体であるならば、特に限定されるものではない。とくにその細胞内ドメインに神経細胞の初節やランビエ絞輪に集積する性質を有する構造を付加することにより、光パルスによる脱分極により活動電位を引き起こす効率を高めた改変体の利用も十分可能である。イオン透過性の異なる改変体、たとえば、Ca2+透過性を高めた改変体や、K+選択的、あるいは陰イオン選択的な透過性を有し、光刺激により膜電位をマイナス変位（過分極）させるような改変体の利用も考えられる。また、吸収スペクトルの異なる改変体の利用もあり得る。遺伝子導入法は、とくに限定されるものではなく、ウィルスベクター法、ジーンガン法、トランスジェニック法などを利用することができる。光刺激に用いる光源は、そのチャネルオプシンの構造変化を引き起こすものであるならば、特に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に関わる光感受性を獲得した神経細胞は、医療、福祉・介護、情報通信等のさまざまな分野に利用できる。また、さまざまな機器と脳・神経系との接合部に利用できる。
【００３４】
たとえば、ヒトの眼球においては、網膜にある受容体細胞で光が感知され、双極細胞を経て、神経節細胞に活動が伝えられる。神経節細胞の軸索突起が視神経として、脳に神経を送っている。網膜色素変性症や加齢にともなう黄斑変性症などにおいては、受容体細胞が変性することにより、視力を失う。前者は、遺伝的な背景のあるもので、比較的若い時に失明するが、世界中に150万人の患者がいるといわれる。後者は、６５歳以上における
失明の最大要因である。このような患者では、網膜の神経節細胞は健常である。そこで、網膜の双極細胞や神経節細胞は、本来光感受性を有しないが、本発明を用いて、遺伝子工学的方法により、光受容体チャネルを導入・発現させることにより、光感受性を獲得した双極細胞や神経節細胞を網膜に組み込むことができる。この結果、網膜の光受容体細胞が変性していても、双極細胞や神経節細胞が光情報を受容し、膜電位変位の信号に変換し、脳に情報を伝えるようになる。この方法を用いれば、ビデオカメラやフォトダイオードなどの光受容装置、刺激用電極などを用いることなく、まったく非侵襲的に高い解像度の視覚を回復し、これら網膜変性疾患による視覚障害者の生活能力を向上させることが期待される。
【００３５】
本発明を応用する方法は、光を介するので、網膜、神経、脳などの組織に対しまったく非侵襲的である。また、時間および空間解像度において従来の方法よりも優れている。また、遺伝子工学的手法を応用するので、適当なプロモーターを選択することにより、脳においてある特定の機能を有する神経細胞のみを選択的に刺激できる特徴がある。したがって、産業上においてきわめて有用な方法である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態によるチャネルオプシン２の構造である。Ａ：チャネルオプシン２(chop-2)のアミノ酸一次構造Ｂ：チャネルオプシン２遺伝子のC末をVenusに置き換えたタンパク分子のドメイン構造Ｃ：Chop-2-VenusコンストラクトのDNA配列情報にもとづいて、細胞内で合成されるタンパク質分子の推定される３次構造
【図２】本発明の実施の形態による実験装置の概略図である。
【図３】本発明の実施の形態によるホールセルパッチクランプ法の概略図である。
【図４】本発明の実施の形態によるチャネルオプシン２分子を発現したPC12細胞である。Ａ：チャネルオプシン２を発現させたPC12細胞の蛍光による同定Ｂ：チャネルオプシン２を発現させたPC12細胞の共焦点画像
【図５】本発明の実施の形態によるチャネルオプシン２を発現することにより、光感受性を獲得したPC12細胞の光応答である。Ａ：チャネルオプシン２を発現することにより、光感受性を獲得したPC12細胞における、光照射による膜電位のプラス変位。Ｂ：チャネルオプシン２を発現していないPC12細胞の膜電位に対する光照射の効果
【図６】本発明の実施の形態によるチャネルオプシン２を発現することにより、光感受性を獲得したPC12細胞の光の強さに対する応答である。Ａ：チャネルオプシン２を発現させたPC12細胞において、膜電位固定下の光照射に応答して生ずる膜電流Ｂ：光照射により引き起こされる膜電流の光の強さ依存性
【図７】本発明の実施の形態によるチャネルオプシン２を発現することにより光感受性を獲得したPC12細胞膜のイオン透過性である。Ａ：細胞外Na+濃度が153 mMのとき、光照射により活性化される膜電流の大きさの膜電位依存性Ｂ：細胞外Na+濃度が26 mMのとき、光照射により活性化される膜電流の大きさの膜電位依存性Ｃ：細胞外Na+濃度が153 mMのときと26 mMのときにおけるピーク電流の電流−電位関係Ｄ：細胞外Na+濃度が153 mMのときと26 mMのときにおける定常電流の電流−電位関係
【図８】本発明の実施の形態によるチャネルオプシン２を発現することにより、光感受性を獲得した神経細胞である。Ａ：培養されたラット大脳皮質の神経細胞の微分干渉像Ｂ：チャネルオプシン２を発現した神経細胞の蛍光による同定Ｃ：チャネルオプシン２を発現した神経細胞膜電位の光照射に対する応答Ｄ：光感受性を獲得した神経細胞において、光照射により誘発された活動電位
【図９】本発明の実施の形態による光感受性を獲得した神経細胞が光の情報を神経細胞ネットワークに伝える様子を模式化したものである。Ａ：光感受性を獲得した神経細胞ネットワークの特定の神経細胞に選択的に光を照射した場合Ｂ：ネットワークを形成している神経細胞のある特異的なものが光感受性を獲得した神経細胞である場合
【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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