2026年ノーベル生理学・医学賞は光遺伝学に、藻のたんぱく質で神経細胞を光で操る

池の単細胞藻が光に向かって泳ぐのを助けるタンパク質が、科学者が今や青色光のフラッシュで脳細胞の一種をオンまたはオフにできる理由である。カロリンスカ研究所のノーベル賞委員会は、そのタンパク質を発見し、それをツールに変えた3人の研究者に生理学・医学賞を授与した。スタンフォード大学およびハワード・ヒューズ医学研究所のカール・ダイセロス（Karl Deisseroth）、ベルリン・フンボルト大学のペーター・ヘーゲマン（Peter Hegemann）、ヴュルツブルク大学のゲオルク・ナーゲル（Georg Nagel）である。

この方法はオプトジェネティクスと呼ばれ、脳研究で証明できることを変えた。神経科学者は、恐怖や飢餓の際にどの領域が活性化するかをすでに見ることができたが、特定の種類のニューロンがその感情を引き起こしたことを示すことはほとんどできなかった。オプトジェネティクスを使えば、生きた動物でそれらの細胞をオンにして行動が現れるのを観察したり、オフにして行動が止まるのを観察したりできる。研究室はそれ以来、記憶、痛み、渇き、睡眠、社会的行動の回路を特定するためにこの技術を使用しており、現在は失明の一形態の治療法として試験されている。

委員会は3氏を「光ゲートイオンチャネルとオプトジェネティクスに関する発見」に対して表彰した。3人は1200万スウェーデンクローナを均等に分け合う。「オプトジェネティクスは、かつて夢見ることしかできなかった方法で脳をマッピングする機会を提供する」と、ノーベル生理学・医学賞委員会委員長のペル・スヴェニングソン（Per Svenningsson）は述べた。

目より20倍速く反応する藻

物語はクラミドモナス（Chlamydomonas）から始まる。単細胞からなる緑藻である。皿にまぜ、片側に光を当てると、かすかな緑色の影がランプに向かって漂う。藻は眼点と呼ばれる小さなオレンジ色の点を通して光を感知する。この眼点には、私たちの目にも見られる光を捉える分子であるレチナールが含まれている。

当時マルティンスリートのマックス・プランク生化学研究所にいたヘーゲマンは、眼点を微細電極で測定し、光が届いてから0.5ミリ秒後に電気インパルスを検出した。人間の目では、光がイオンチャネルを開く前に一連の化学反応が起こり、そのプロセス全体に少なくとも10ミリ秒かかる。藻はその20倍以上速かった。

ヘーゲマンの説明は単純だった。一つのタンパク質が光を捕捉し、荷電粒子の孔を開けるという二つの仕事を同時に担っているというものだ。同僚たちは疑った。なぜなら、既知のイオンチャネルは光に単独で応答しなかったからだ。彼のチームが眼点からタンパク質を取り出そうとすると、それは分解し、そのアイデアは数年停滞した。

どのようにして成し遂げたか

突破口は、日本の研究者がクラミドモナスの遺伝子配列を公開したときに訪れた。ヘーゲマンのグループは、既知の光捕捉タンパク質に似た2つの遺伝子を見つけ、フランクフルトのマックス・プランク生物物理学研究所にいたナーゲルに送った。

ナーゲルは各遺伝子をカエルの卵に注入した。これは、卵を外来タンパク質の工場にする標準的な手法である。タンパク質は卵の表面に定着し、ナーゲルが光を当てると開いた。陽イオンが流れ込み、電流が発生した。ヘーゲマンの仮説は正しかった。チームは2つのタンパク質をチャネルロドプシン-1およびチャネルロドプシン-2と名付け、後者は光パルスから0.2ミリ秒以内に開いた。

ヒト胎児腎臓細胞やハムスター細胞でも、チャネルロドプシン-2は光の下で電気信号を発生させた。このタンパク質はポータブルスイッチのように振る舞った。すなわち、この遺伝子を持つ細胞はすべて光に応答する。

ダイセロスはまさにそれを探していた。精神科医としての訓練を受け、臨床現場で既存の治療法がうつ病や統合失調症の患者にほとんど役立たないことに衝撃を受け、薄い組織切片ではなく生きた脳内の回路を研究したいと考えた。彼はナーゲルにチャネルロドプシン-2遺伝子を求める手紙を書き、それを培養中のラットのニューロンに挿入し、青色光を当てた。ニューロンは命令に応じて発火し、隣接する細胞に信号を伝えた。

彼のグループは次に、生きたマウスの運動皮質の特定の細胞タイプに遺伝子を送り込み、頭蓋骨の小さな穴から細い光ファイバーを通した。光のパルスでマウスのひげを動かした。別の実験では、覚醒回路と疑われる部位に光を当てると、眠っていたマウスが目覚めた。

なぜ光が電極や薬物に勝ったのか

電極は先端付近のすべてのニューロンを刺激する。薬物は組織全体に拡散し、数分かけて作用する。オプトジェネティクスは二つの点で正確である。遺伝子は選択した細胞タイプにのみ入り、光はミリ秒単位で細胞を切り替え、実際の神経信号の速度に合う。DNAの二重らせんを発見してノーベル賞を分け合ったフランシス・クリック（Francis Crick）は、光が単一ニューロンを制御する理想的な方法だと示唆していたが、そのアイデアは突飛に聞こえると認めていた。

精度が重要なのは規模のためである。成人の人間の脳には約900億の神経細胞があり、それぞれが数千の他の細胞とつながり、無関係な仕事を持つニューロンが絡み合っている。ノーベル賞受賞者の利根川進（Susumu Tonegawa）と協力して、ダイセロスのチームはマウスで恐怖記憶を保存した特定の細胞を再活性化し、マウスは脅威のない場所で恐怖を示した。他のグループは渇き、注意、発熱の回路をマッピングし、子を巣に集める行動と毛づくろいがマウスでは別々の回路で動くことを発見し、心臓を強く鼓動させると不安が強まることを示した。

賞が解決しないこと

オプトジェネティクスは依然として主に研究ツールであり、治療法ではない。人間に使用するには、外来遺伝子をヒト細胞に挿入し（通常は改変ウイルスを使用）、組織の深部に光を届ける必要があり、脳の場合は埋め込みが必要となる。どちらのステップも患者に対して日常的に行われておらず、ヒトのニューロンに藻類タンパク質を保持することの長期的安全性は確立されていない。

最も明確なヒトでの結果は限定的である。網膜色素変性症で40年間失明していた男性が、片方の眼にチャネルロドプシン遺伝子と、網膜に光パルスを投影するゴーグルを受けた。2021年のNature Medicineの症例報告によると、テーブル上の物体を見つけて数えることができるまでに視力が回復した。1人の患者は原理の証明であり、治療が広く有効である証拠ではなく、治験はまだ進行中である。

賞はまた、混雑した分野に線を引く。ノーベル賞の規則では、1賞につき最大3人の受賞者まで認められている。2005年にチャネルロドプシン-2で初めてニューロンを切り替えた論文は、ダイセロスの研究室で書かれ、筆頭著者はエドワード・ボイデン（Edward Boyden）、共著者に張鋒（Feng Zhang）と生物物理学者のエルンスト・バンバーグ（Ernst Bamberg）がいた。オックスフォードのゲロ・ミーゼンベック（Gero Miesenböck）は、それ以前に異なる光感受性システムを使ってニューロンを光に応答させていた。バンバーグ、ボイデン、ミーゼンベックは今年の3人の受賞者とともに2013年の脳賞（Brain Prize）をオプトジェネティクスで受賞したが、ノーベル賞の対象とはならなかった。

カエルの卵からストックホルムへ

受賞への道は、いくつかの論文を通った。ナーゲル、ヘーゲマンらは2002年にScienceでチャネルロドプシン-1、2003年にPNASでチャネルロドプシン-2を報告した。ダイセロスのグループは2005年にNature Neuroscienceで光制御ニューロンを報告し、2006年にこの手法に名前がつき、2007年に生きたマウス脳内でのニューロン制御が初めて行われた。利根川との恐怖記憶実験は2012年である。

2026年ノーベル医学賞に関するよくある質問

2026年ノーベル生理学・医学賞を受賞したのは誰ですか？

スタンフォード大学およびハワード・ヒューズ医学研究所のカール・ダイセロス、ベルリン・フンボルト大学のペーター・ヘーゲマン、ヴュルツブルク大学のゲオルク・ナーゲル。光ゲートイオンチャネルとオプトジェネティクスに関する発見が評価され、1200万スウェーデンクローナを均等に分け合う。

オプトジェネティクスとは簡単に言うと何ですか？

選択した神経細胞を光で制御する方法です。研究者はチャネルロドプシンなどの光感受性タンパク質の遺伝子を特定のニューロンに追加します。適切な色の光を当てると、ミリ秒単位でそれらの細胞をオンまたはオフにでき、科学者は各細胞タイプの機能を調べることができます。

オプトジェネティクスは患者の治療に使われていますか？

まだ承認された治療法としては使われていません。臨床試験では、網膜色素変性症で失明した人々の部分的な視力回復を試みており、治療を受けた1人の患者は特殊なゴーグルで物体を見つけて数える能力を取り戻しました。研究者はまた、人工内耳を電気刺激よりも精密にできる可能性を期待しています。

3人の受賞者は12月10日にストックホルムで行われるノーベル賞授賞式でメダルと賞状を受け取る。すべての始まりとなった藻は今も池の水の中で光に向かって泳ぎ、その眼点のタンパク質は今や世界中の研究室で命令に応じて開く。

Reference: Nagel et al., “Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel,” PNAS, 2003. DOI: 10.1073/pnas.1936192100. Boyden et al., “Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity,” Nature Neuroscience, 2005. DOI: 10.1038/nn1525

タグ: ノーベル賞, channelrhodopsin, Georg Nagel, Karl Deisseroth, Peter Hegemann, 光遺伝学