GIRKチャネル発現の最適化によるG_i/o共役型受容体シグナル伝達の光遺伝学的制御の改良

SCIENCE SIGNALING
20 Oct 2026 Vol 19, Issue 960
DOI: 10.1126/scisignal.adw4374

Brix Mücher¹, Aida Garrido-Charles^{2, 3}, Jonas Wietek⁴, Ina Köhler⁵, Michelle Grömmke¹, Timo Frischmuth¹, Lukas Cyganek^{3, 6, 7, 8}, Benjamin R. Rost^{3, 9}, Tobias Bruegmann^{2, 3, 6, 10}, Dietmar Schmitz^{4, 9, 11, 12, 13, 14}, Deniz Dalkara¹⁵, Petra Wahle⁵, Ida Siveke^{1, 16, *}, Stefan Herlitze^{1, *}

1. ¹ Department of Zoology and Neurobiology, Ruhr University Bochum, 44801 Bochum, Germany.
2. ² Institute for Cardiovascular Physiology, University Medical Center Göttingen, 37073 Göttingen, Germany.
3. ³ German Center for Cardiovascular Research (DZHK), Partner site Göttingen, 37077 Göttingen, Germany.
4. ⁴ Charité-Universitätsmedizin Berlin, corporate member of Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, 10117 Berlin, Germany.
5. ⁵ Developmental Neurobiology, Ruhr University Bochum, 44801 Bochum, Germany.
6. ⁶ Cluster of Excellence "Multiscale Bioimaging: From Molecular Machines to Networks of Excitable Cells" (MBExC), University of Göttingen, 37075 Göttingen, Germany.
7. ⁷ Stem Cell Unit, Clinic for Cardiology and Pneumology, University Medical Center Göttingen, 37075 Göttingen, Germany.
8. ⁸ Translational Neuroinflammation and Automated Microscopy, Fraunhofer Institute for Translational Medicine and Pharmacology ITMP, 37075 Göttingen, Germany.
9. ⁹ German Center of Neurodegenerative Diseases (DZNE), 10117 Berlin, Germany.
10. ¹⁰ Else Kröner Fresenius Center for Optogenetic Therapies, University Medical Center Göttingen, 37075 Göttingen, Germany.
11. ¹¹ Humboldt-Universität zu Berlin, Bernstein Center for Computational Neuroscience, 10115 Berlin, Germany.
12. ¹² Charité-Universitätsmedizin Berlin, corporate member of Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Institute of Cell and Neurobiology, 10117 Berlin, Germany.
13. ¹³ Charité-Universitätsmedizin Berlin, corporate member of Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, Einstein Center for Neuroscience, 10117 Berlin, Germany.
14. ¹⁴ Charité-Universitätsmedizin Berlin, corporate member of Freie Universität Berlin and Humboldt-Universität zu Berlin, NeuroCure Cluster of Excellence, 10117 Berlin, Germany.
15. ¹⁵ Sorbonne Université, INSERM, CNRS, Institut de la Vision, 75012 Paris, France.
16. ¹⁶ Bridge Institute of Experimental Tumor Therapy, West German Cancer Center, University Medicine Essen, 45147 Essen, Germany.
17. * Corresponding author. Email: ida.siveke@rub.de (I.S.); sxh106@googlemail.com (S.H.)

Editor’s summary

GIRKチャネルは、G_i/oタンパク質と共役するGPCRの下流で活性化されると、神経細胞や心筋細胞など興奮性細胞の活動を抑制する。Mücherらは、GIRKチャネルサブユニットの活性化を、光活性化型GPCRと関連付ける複数の光遺伝学コンストラクトを開発した。複数のGαタンパク質と共役可能なオプシンOpn4L（メラノプシンとも呼ばれる）と、ホモ多量体チャネルを形成する変異型GIRK1サブユニットから構成される光遺伝学コンストラクトを発現させたところ、様々な細胞型において大きな電流が誘発された。さらに、このコンストラクトの発現は、小脳プルキンエ細胞や心筋細胞において、G_q/11依存的な興奮をG_i/o依存的な抑制へと転換した。これらの光遺伝学コンストラクトは、G_i/oシグナル伝達を増強し、興奮性細胞の活動を抑制するための手法を研究者に提供する。—Wei Wong

要約

G_i/oタンパク質と共役するGタンパク質共役型受容体（GPCR）が刺激されると、興奮性細胞においてGタンパク質活性化内向き整流性K⁺（GIRK）チャネルが活性化され、膜の過分極が引き起こされる。GIRKチャネルが利用可能かどうかが、G_i/o共役型GPCRに基づく光遺伝学による抑制手法の成否を決定する。G_i/oを介したGIRK電流を選択的に増強するため、われわれは、GIRKサブユニットの活性を、光活性化型のG_i/o共役型GPCRであるOpn4L（メラノプシンとしても知られるオプシン）、長波長感受性オプシンOpn1、パラピノプシン、またはOpn7bと共役させる発現カセットを作製した。ここでは、活性化が速く、大きな電流を生み出し、同種多量体チャネルを形成するため発現カセットのサイズを小さく抑えることができるGIRK1 F137S変異体を用いた。これらのオプシンを介して光でGIRK1^F137Sを活性化させると、HEK293細胞、心筋細胞、および小脳プルキンエニューロンにおいて、強力なGIRK電流が誘発されることを実証した。さらに、GIRK1^F137Sの活性化を、多様な経路と関係しうるOpn4Lと共役させると、小脳プルキンエニューロンや心筋細胞において、Gタンパク質シグナル伝達の正味の効果が、G_q/11を介した興奮からG_i/oを介した抑制へと転換した。このように、われわれのツールは、興奮性細胞におけるG_i/o経路の光遺伝学制御において、GIRK活性の利用を最適化するものである。