山梨大學研究生院綜合研究部生化學講座第一教室的金然正特任助教、浜田駿助教、大塚稔久教授等與東京慈惠會醫科大學綜合醫科學研究中心臨牀醫學研究所的渡部文子教授等合作發表研究成果稱，成功開發出了一種透過光自由操控細胞脂質訊號的技術--「光碟機動型磷脂酶Cβ（opto-PLCβ）」。研究發現，透過藍光照射，可以切割細胞膜上的磷脂（磷脂酰肌醇：PIP2）並將其轉化爲細胞内的次級傳訊者——三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG），從而增加細胞内的鈣離子濃度，控制脂質雙層膜的動態變化和訊號傳導。研究團隊證實，在表達opto-PLCβ的小鼠大腦中，可以透過藍光誘導突觸的可塑性，加強恐懼記憶的形成。這一技術有望爲腦科學領域的諸多研究作出貢獻。相關研究成果已經於4月6日發表在國際學術期刊《Cell Chemical Biology》上。
圖1 研究概要（供圖：山梨大學）
生物體利用激素和神經遞質等化學物質在細胞之間傳遞資訊。這些化學物質被稱爲第一傳訊者，當它們與細胞膜上的接受者結合後，會在細胞内生成另一類被稱爲次級傳訊者的化學物質。次級傳訊者能夠控制細胞内的各種功能。
近年來，雖然利用光激活蛋白質，透過光控制細胞活動的「光遺傳學」取得了許多進展，然而，目前還沒有一種能夠直接透過光控制從PIP2生成次級傳訊者IP3和DAG、即磷脂酶C的方法。
爲此，研究團隊將光激活蛋白質和固定在細胞膜上的蛋白質結合，開發出了「opto-PLCβ」。在藍光照射下，該分子會被激活，並將細胞膜上的PIP2分解爲IP3和DAG。在神經細胞中，這種切割程序可以激活細胞内訊號傳導，進而改變與記憶形成等相關的細胞功能。
研究人員利用該技術，用藍光照射表達opto-PLCβ的細胞，成功實施了PIP2減量同時DAG增加現象的視覺化。此外，還成功視覺化了opto-PLCβ的光依賴性激活引起的細胞膜脂質變化和細胞内鈣濃度擧升。
此外，研究人員還成功地在表達opto-PLCβ的小鼠大腦中用藍光誘導了突觸可塑性。研究人員證實，將opto-PLCβ表達在對恐懼記憶的形成十分重要的部位-杏仁核基底外側，進行藍光照射後，這些小鼠的恐懼記憶形成與未表達opto-PLCβ的小鼠相比更爲顯著。
利用該技術，可以透過操控光照的時機和位置，可以自由而精確地控制細胞内的PLC活動。
透過光來控制與記憶形成有關的大腦神經廻路、神經細胞的興奮傳遞等，或有助於揭示記憶的機制並開發神經疾病的冶癒方法。此外，該技術還有望應用於透過光抑制癌細胞增殖，以及透過光控制基因表現等。
大塚教授表示：「我們從零開始研究，花了整整五年時間。這是世界上首個光碟機動型的磷脂酶C工具，能夠產生具有重要作用的次級傳訊者IP3和二酰甘油。它具有極高的時空解析度，可以分別刺激神經細胞的細胞體、樹突和軸突等細胞内結構域，被認爲是一種有用的操作工具。此外，由於磷脂酶C的訊號傳導途徑對一般性的細胞功能起着至關重要的作用，該技術不僅在精神神經疾病，還在發炎、免疫、癌症領域以及藥物篩選領域擁有廣泛的應用和隊形變換潛力。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Cell Chemical Biology
論文：A light-controlled phospholipase C for imaging of lipid dynamics and controlling neural plasticity
DOI：10.1016/j.chembiol.2024.03.001
