チャンネルロドプシンにおけるイオン選択性の電気生理学的測定のための全細胞パッチクランプ記録

チャンネルロドプシン（ChR）は、運動性の緑藻の眼球のスポットに存在する光依存性イオンチャネルであり、光走性および恐怖反応の主要な光センサーとして機能する¹ 。 2002年²月の最初の記述以来、ChRは新興オプトジェネティクス分野への道を開き、様々な興奮性細胞、例えば骨格筋、心臓、または脳内に適用することができる3,4,5。標的細胞におけるChRの発現は、それぞれの細胞の光制御可能なイオン透過性をもたらす。これは、ニューロンの状況において、活動電位（AP）の発火（伝導イオンに依存する）の活性化6,7,8または阻害^9,10を空間的および時間的ChR変異体のイオン選択性がどのようにその光発生適用を決定するかを強調する光の精度。

Chlamydomonas reinhardtiiおよびVolvox carteri由来の最初に発見されたChRは、プロトンに対して透過性であるが、ナトリウム、カリウム、およびカルシウムおよびマグネシウムなどの二価陽イオンにはあまり関わらない一価カチオンにも透過性である^11,12,13 。今日では、70種類以上の天然カチオン伝導性チャネルロドプシン（CCR）14,15,16,17およびいくつかの改変された改変体^{18,19,20が 、} 光電流サイズ、分光感度、カイネティックス、およびカチオン選択性が利用可能である。神経科学では、CCRはa細胞を活性化させ、APを誘発するために再使用される場合、光駆動の微生物ポンプは、ニューロンをサイレンシングするために唯一利用可能なアンタゴニストであった。 2014年に2つのグループが同時に、CCRが分子工学を介して推定イオン伝導ポアに沿って極性を変化させることにより、陰イオン伝導チャネルロドプシン（ACR）に変換できることを示した9,21。続いて、いくつかのクリプトフィト藻類において天然ACRが同定された22,23,24。最も重要なことに、ACRの軽い活性化は、成人ニューロンにおける塩化物電流を媒介し、吸収された光子につき単一の電荷のみを輸送する微生物ポンプよりもはるかに低い光強度でニューロン活性の阻害を可能にする。

ChR活性は、HEK293細胞における光誘起電流の電気生理学的パッチクランプ記録によって直接対処することができる。パッチクランプ技術はもともと1970年代後半に開発されたものであり、Hamill et al。高い電流分解能および膜電圧^26の直接制御を伴う小さなセル（全細胞モード）からの電流実体の記録を可能にする。細胞培養に適用されるこの技術は、イオンおよび電気記録条件の正確な制御を提供し、イオン選択性を総電流に対するイオンの相対的な寄与と共に研究することを可能にする。ここでは、様々な細胞外クロライド濃度下で電流 – 電圧関係を記録して、高塩化物コンダクタンスを証明することにより、Proteomonas sulcata（ Ps ACR1） ^22,23の陰イオン伝導性チャネルロドプシンのイオン選択性の試験を例示する。