山梨大学研究生院综合研究部生化学讲座第一教室的金然正特任助教、浜田骏助教、大塚稔久教授等与东京慈惠会医科大学综合医科学研究中心临床医学研究所的渡部文子教授等合作发表研究成果称，成功开发出了一种通过光自由操控细胞脂质信号的技术--“光驱动型磷脂酶Cβ（opto-PLCβ）”。研究发现，通过蓝光照射，可以切割细胞膜上的磷脂（磷脂酰肌醇：PIP2）并将其转化为细胞内的第二信使——三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG），从而增加细胞内的钙离子浓度，控制脂质双层膜的动态变化和信号传导。研究团队证实，在表达opto-PLCβ的小鼠大脑中，可以通过蓝光诱导突触的可塑性，加强恐惧记忆的形成。这一技术有望为脑科学领域的诸多研究作出贡献。相关研究成果已经于4月6日发表在国际学术期刊《Cell Chemical Biology》上。
图1 研究概要（供图：山梨大学）
生物体利用激素和神经递质等化学物质在细胞之间传递信息。这些化学物质被称为第一信使，当它们与细胞膜上的受体结合后，会在细胞内生成另一类被称为第二信使的化学物质。第二信使能够控制细胞内的各种功能。
近年来，虽然利用光激活蛋白质，通过光控制细胞活动的“光遗传学”取得了许多进展，然而，目前还没有一种能够直接通过光控制从PIP2生成第二信使IP3和DAG、即磷脂酶C的方法。
为此，研究团队将光激活蛋白质和固定在细胞膜上的蛋白质结合，开发出了“opto-PLCβ”。在蓝光照射下，该分子会被激活，并将细胞膜上的PIP2分解为IP3和DAG。在神经细胞中，这种切割过程可以激活细胞内信号传导，进而改变与记忆形成等相关的细胞功能。
研究人员利用该技术，用蓝光照射表达opto-PLCβ的细胞，成功实现了PIP2减少同时DAG增加现象的可视化。此外，还成功可视化了opto-PLCβ的光依赖性激活引起的细胞膜脂质变化和细胞内钙浓度上升。
此外，研究人员还成功地在表达opto-PLCβ的小鼠大脑中用蓝光诱导了突触可塑性。研究人员证实，将opto-PLCβ表达在对恐惧记忆的形成十分重要的部位-杏仁核基底外侧，进行蓝光照射后，这些小鼠的恐惧记忆形成与未表达opto-PLCβ的小鼠相比更为显著。
利用该技术，可以通过操控光照的时机和位置，可以自由而精确地控制细胞内的PLC活动。
通过光来控制与记忆形成有关的大脑神经回路、神经细胞的兴奋传递等，或有助于揭示记忆的机制并开发神经疾病的治疗方法。此外，该技术还有望应用于通过光抑制癌细胞增殖，以及通过光控制基因表达等。
大塚教授表示：“我们从零开始研究，花了整整五年时间。这是世界上首个光驱动型的磷脂酶C工具，能够产生具有重要作用的第二信使IP3和二酰甘油。它具有极高的时空分辨率，可以分别刺激神经细胞的细胞体、树突和轴突等细胞内结构域，被认为是一种有用的操作工具。此外，由于磷脂酶C的信号传导途径对一般性的细胞功能起着至关重要的作用，该技术不仅在精神神经疾病，还在炎症、免疫、癌症领域以及药物筛选领域拥有广泛的应用和发展潜力。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Cell Chemical Biology
论文：A light-controlled phospholipase C for imaging of lipid dynamics and controlling neural plasticity
DOI：10.1016/j.chembiol.2024.03.001
