Forschungsbereich

Einführung in den Kalziumkanal

Kalzium ist der älteste und am weitesten verbreitete Signalstoff in der Zelle und ist an der Regulation fast aller biologischen Funktionen des Körpers beteiligt, Dazu gehören Herz- und Muskelkontraktion, neuronale Übertragung, Lernen und Gedächtnis, Embryogenese und Entwicklung, Zellproliferation und Apoptose, Zellteilung und -differenzierung, Energiestoffwechsel der Zelle, Modifikation der Phosphorylierung und Dephosphorylierung von Proteinen sowie Genexpression und -regulation. Die zytoplasmatische freie Kalziumionenkonzentration von Säugetierzellen wird im Allgemeinen auf 100-200 nmol/L kontrolliert. Der steile, aber streng kontrollierte Konzentrationsgradient von Kalziumionen zwischen der Zellmembran und dem Zytoplasma und den Organellen wird aufrechterhalten und je nach den Bedürfnissen der Zellen dynamisch reguliert. Er beruht auf dem Zusammenwirken einer Vielzahl von Ionenkanälen, Ionenpumpen und Transportern. Obwohl verschiedene Zellen unterschiedliche spezifische Mechanismen haben, sind an den Kalziumkanälen u. a. folgende Moleküle beteiligt: Ionenkanäle der Zellmembranen und Organellenmembranen (die Kalziumionen in das Zytoplasma leiten), Transporter der Zellmembranen und Organellenmembranen (einschließlich des primären aktiven Transports und des sekundären Transports), Kalziumpufferproteine des Zytoplasmas und der Organellen (kombinierte Speicherung von Kalziumionen) usw. Jede Anomalie in diesen Verbindungen kann zu einer Instabilität der Kalziumhomöostase führen und Krankheiten verursachen. Die Aufklärung des Regulationsmechanismus des Kalziumkanals offenbart eine der grundlegenden Verbindungen zwischen der Kalziumhomöostase und der Regulierung der Lebensprozesse.

Die Mitglieder der Kalziumkanalfamilie und ihre Strukturen

Der Kalziumionenkanal ist ein Proteinkomplex, der den Fluss von Kalziumionen zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle sowie zwischen Organelle und Zytoplasma bewirkt. Die Quellen des intrazellulären Kalziums sind zwei Arten von extrazellulärem Kalziumeinstrom und intrazelluläre Kalziumspeicher. Der Eintritt von extrazellulärem Kalzium in die Zelle kann über die folgenden drei Rezeptorkanalwege erfolgen: Cav-Kanal, rezeptorgesteuerter Kalziumkanal, Kalziumreservoir steuernder Kalziumkanal, und die Freisetzung aus dem intrazellulären Kalziumspeicher erfolgt hauptsächlich über 4 Rezeptorkanalwege, d. h. IP3R-Kanal, Ryanodin-Rezeptorkanal, Nikotinsäure-Adenin-Dinukleotid-Phosphat (NAADP)-Rezeptorkanal und mitochondrialer Rezeptorkanal. Darüber hinaus wird der Kalziumausfluss im endoplasmatischen Retikulum, der durch einen Anstieg der intrazellulären Kalziumionenkonzentration verursacht wird, als Ca2+-induzierte Ca2+-Freisetzung bezeichnet. Der Cav-Kanal an der Membran der β-Inselzellen und der IP3R-Kanal, der RYR-Kanal und der NAADP-Rezeptorkanal an der intrazellulären Kalziumbibliothek sind die vier wichtigsten Rezeptorkanäle, die am Prozess der Insulinsekretion beteiligt sind. Der extrazelluläre Kalziumeinstrom in die β-Insel erfolgt hauptsächlich über den Cav-Kanal. Je nach elektrophysiologischen Merkmalen lassen sich die Cav-Kanäle in die Typen L, P/Q, N, R und T unterteilen, von denen die Cav-Kanäle vom L-Typ eine entscheidende Rolle bei der Auslösung der Insulinsekretion spielen. Der Cav-Kanal besteht normalerweise aus 4 oder 5 der Untereinheiten α1, α2δ, β und γ. Die α1-Untereinheit ist die Hauptuntereinheit des Cav-Kanals, der den Transportkanal für Kalziumionen darstellt. Andere Untereinheiten sind nicht an der Bildung des Cav-Kanals beteiligt, sondern regulieren die Öffnung des Kanals der α1-Untereinheit und werden daher als Hilfsuntereinheiten bezeichnet. Zu ihnen gehört die α2δ-Untereinheit, die durch eine extrazelluläre glykosylierte α2-Untereinheit und eine hydrophobe transmembrane δ-Untereinheit über eine Disulfidbindung verbunden ist. Darüber hinaus verfügt die α2-Untereinheit über eine Bindungsstelle für einen Kalziumionenantagonisten, und der Dihydropyridin-Kalziumionenantagonist wirkt hauptsächlich durch Bindung an die α2-Untereinheit. IP3R ist ein Glykoprotein mit einer relativen Molekülmasse von etwa 240000 bis 300000. IP3R wird in die Typen I-V unterteilt, von denen die Typen I-III auf den β-Inselzellen exprimiert werden, wobei vor allem Typ III am häufigsten vorkommt. IP3R ist im endoplasmatischen Retikulum der Betazellen verteilt, und Studien haben bestätigt, dass IP3R auch in den sekretorischen Granula von Insulin vorhanden ist. IP3R hat die Eigenschaft, an Inositoltriphosphat (IP3) zu binden und Kalziumionen zu transportieren. IP3R wird durch nicht-kovalente Assoziation von Homotetrameren gebildet, und jede Untereinheit kann ein Molekül IP3 binden. IP3R kann in drei Teile unterteilt werden: IP3-Bindungsbereich, Funktionsregulierungsbereich und Kalziumionenkanalbereich. Der Kalziumkanalbereich ist die Grundlage für die Bildung der IP3R-Tetramerstruktur, so dass der Kalziumkanalbereich sehr wichtig für die Struktur von IP3R ist. Der RYR-Kanal ist ein Protein mit 45.000 Aminosäuren, das im endoplasmatischen Retikulum und im sarkoplasmatischen Retikulum exprimiert wird und eine relative Molekularmasse von 565.000 aufweist. Je nach dem kodierenden Gen wird RYR in drei Subtypen unterteilt: RYR1, RYR2 und RYR3. Es gibt hauptsächlich RYR2-Kanäle im endoplasmatischen Retikulum der β-Inselzellen.

Kalziumkanal-bezogene Krankheiten und der Mechanismus des Kalziumkanals, der bei diesen Krankheiten wirkt

Der Ca2+-Kanal ist ein Transmembranprotein mit mehreren Untereinheiten, und der spannungsabhängige Ca2+-Kanal wird allgemein in L-Typ (Cav1), P/Q-Typ (Cav2.1), N-Typ (Cav2.2), R-Typ (Cav2.3) und T-Typ (Cav3) sowie weitere Subtypen unterteilt, die in Neuronen, im Herzmuskel und in anderen Teilen des Körpers vorkommen und an der Freisetzung von Neurotransmittern und am Aktionspotenzial des Herzmuskels beteiligt sind. Die Studie ergab, dass Antidepressiva die Gynogenese im Hippocampus unter Beteiligung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren und spannungsabhängigen Kalziumkanälen stimulieren. Klinische Belege deuten darauf hin, dass L-Typ-Kalziumkanalblocker bipolare Störungen, Schizophrenie und eine Reihe neuropsychiatrischer Erkrankungen wie Depressionen behandeln können. Cav1- und Cav3-Moleküle werden bei Nagetieren mit Emotionen (Angst, Depression), Sozialverhalten und Kognition in Verbindung gebracht. Studien haben ergeben, dass die Blockierung von Kalziumkanälen mit dem selektiven P-Typ- und P/Q-Typ-Kalziumkanalblocker ω-viral IVA die Effizienz der synaptischen Übertragung verändern kann, was zeigt, dass Kalziumkanäle des P-Typs und des P/Q-Typs in Hippocampusnerven beteiligt sind. In Studien wurde der Mechanismus der Langzeithemmung in Pyramidenneuronen in der CA1-Region des Hippocampus in akuten Hirnschnitten mit Hilfe von Patch-Clamp-Aufzeichnungen und Ca2+-Bildgebungstechniken untersucht, und es wurde festgestellt, dass Ca2+-Kanäle vom N-Typ in Pyramidenneuronen des Hippocampus und in der synaptischen Plastizität eine Rolle spielen. Beta-Inselzellen reagieren sehr empfindlich auf Veränderungen der extrazellulären Glukosekonzentration. Wenn die extrazelluläre Glukosekonzentration erhöht ist, wird Glukose über den Glukoseträger an der Betazellmembran in die Betazellen aufgenommen. Durch den Krebszyklus wird das intrazelluläre ATP/ADP-Verhältnis erhöht. Der ATP-empfindliche Kaliumkanal wird geschlossen, der K+-Abfluss wird reduziert, die β-Zellmembran wird depolarisiert, der Cav-Kanal wird geöffnet und der externe Kalziumeinstrom erhöht die intrazelluläre Kalziumionenkonzentration, wodurch die Exozytose und β an der Insulinvesikelmembran ausgelöst werden. Das Aktin in der Zellmembran wirkt, um die Insulinvesikelmembran mit der β-Zellmembran zu verschmelzen und eine Membranfusionspore zu bilden, und dann wird das Insulin im Vesikel durch die Fusionspore in den extrazellulären Raum freigesetzt, um den Exozytoseprozess der β-Zelle zu realisieren. Eine Reihe von Medikamenten wie 2,2-Dithiodipyridin, Thiopental und Interleukin 6 können die Wirkung der glukosestimulierten Insulinsekretion induzieren oder verstärken, die alle mit der Freisetzung von Kalziumionen verbunden sind, die am IP3R-Kanal beteiligt sind. Als größtes Kalziumreservoir in der Zelle verfügt das endoplasmatische Retikulum über IP3R und RYR, die eine wichtige Rolle bei der Insulinsekretion spielen; in der Ratteninsulinom-Zelllinie INS1 kann die Insulinsekretion durch Entleerung des IP3-vermittelten Kalziumpools gehemmt werden. Alle oben genannten Experimente bestätigten, dass der IP3R-Kanal am Prozess der Insulinsekretion beteiligt ist. RYR ist an der Glukose- und Inkretin-vermittelten Insulinsekretion der β-Zellen beteiligt, und der Zustand des Diabetes ist mit einer verminderten Expression von RYR in den Betazellen verbunden. RYR wird nicht nur im endoplasmatischen Retikulum der β-Zellen der Pankreasinseln exprimiert, sondern ist auch in den Insulinsekretionsbläschen der Betazellen vorhanden. Die Insulinsekretion wird durch einen Anstieg der intrazellulären Kalziumkonzentration in den β-Inselzellen ausgelöst, was zur Aktivierung der Calmodulin-abhängigen Proteinkinase führt, die RYR2 phosphoryliert und den Kalziumausfluss aus dem endoplasmatischen Retikulum bewirkt. Dieser CICR-Prozess ist von der Glukosekonzentration abhängig. Es wird angenommen, dass die Phosphorylierung von RYR2 ein Mechanismus ist, der die Freisetzung intrazellulärer Kalziumspeicher zur Vermittlung der Insulinsekretion bewirkt. Dixit et al. haben die RYR2-Kanalmutante in Mäuse eingeschleust und damit die Phosphorylierung des RYR2-Kanals nachgeahmt, was zu einem verstärkten RYR2-vermittelten Kalzium-Efflux führte, der wiederum eine basale Hyperinsulinämie verursachte. Beide Experimente zeigen, dass RYR am Prozess der Insulinsekretion beteiligt ist. Der NAADP-Rezeptorkanal ist auch an der Glukose- und Inkretinsekretionspeptid-vermittelten Insulinsekretion der Betazellen beteiligt. Studien haben gezeigt, dass von Inkretinen ausgeschüttete Peptide wie Glucagon-like Peptide 1 die Kalziumfreisetzung in den Betazellen induzieren. Die primäre Kalziumfreisetzung wird durch NAADP vermittelt, und die sekundäre Kalziumfreisetzung wird durch die zyklische Adenosindiphosphat-Ribosepolymerase vermittelt, die schließlich das Insulin über den Guanin-Nukleotid-Austauschweg, der durch die Proteinkinase A und die zyklische Adenosinmonophosphat-Sekretion reguliert wird, fertigstellt. Darüber hinaus bestätigte die Studie, dass NAADP nicht nur eine Rolle bei der Glucagon-like Peptide-1-induzierten Kalziumfreisetzung spielt, sondern auch als Kalziumsignal wirkt. Studien haben bestätigt, dass sowohl TPC1 als auch TPC2 an der NAADP-induzierten Kalziumfreisetzung beteiligt sind, wobei CICR eng mit TPC2 verwandt ist. Im Gegensatz dazu hemmte die Expression von TPC3 die NAADP-induzierte Kalziumfreisetzung. Letztendlich beeinflusst die Expression von TPC die Struktur und Dynamik von Endosomen und macht NAADP zu einem wichtigen Akteur bei der Regulierung des Vesikeltransports.

Referenz:

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