カルシウムチャネルの紹介
カルシウムは細胞内で最も古く、最も広く使われている情報伝達物質で、生体のほとんどすべての生体機能の調節に関与している。 例えば、心筋収縮、神経伝達、学習と記憶、胚発生と発達、細胞増殖とアポトーシス、細胞分裂と分化、細胞のエネルギー代謝、タンパク質のリン酸化・脱リン酸化修飾、遺伝子発現と制御などです。 哺乳類細胞の細胞質内遊離カルシウムイオン濃度は、一般に100-200 nmol/Lに制御されている。 細胞膜と細胞質・小器官の間のカルシウムイオンの急峻な、しかし厳密に制御された濃度勾配は、細胞の必要性に応じて維持され、動的に制御される。 これは、様々なイオンチャネル、イオンポンプ、トランスポーターの連携に依存している。 細胞によって固有の機構は異なるが、カルシウムチャネルに関与する分子は、細胞膜およびオルガネラ膜のイオンチャネル（細胞質へのカルシウムイオンの仲介）、細胞膜およびオルガネラ膜のトランスポーター（一次活性輸送、二次輸送など）、細胞質およびオルガネラのカルシウムバッファタンパク質（カルシウムイオンの複合貯蔵）などがあげられる。 このリンクに異常があると、カルシウムのホメオスタシスが不安定になり、疾病を引き起こす可能性がある。 カルシウムチャネルの制御機構の解明は、カルシウムのホメオスタシスと生命現象の制御の基本的なリンクの一つを明らかにする。
カルシウムチャネルのファミリーとそれぞれの構造
カルシウムイオンチャネルは、細胞の内外およびオルガネラと細胞質との間でカルシウムイオンを流動させるタンパク質複合体である。 細胞内カルシウムの供給源は、細胞外カルシウムの流入と細胞内カルシウムの貯蔵の2種類である。 細胞外カルシウムの細胞内への侵入は、以下の3つの受容体チャネル経路によって実現される。 Cavチャネル，受容体ゲートカルシウム・チャネル，カルシウム貯蔵量を制御するカルシウム・チャネル，そして細胞内カルシウム貯蔵量の放出は主に4つの受容体チャネル経路，すなわちIP3Rチャネル，リアノジン受容体チャネル，ニコチン酸アデニンジヌクレオチドリン酸（NAADP）受容体チャネル，およびミトコンドリア受容体チャネルを介して行われる． また、細胞内カルシウムイオン濃度の上昇により小胞体内にカルシウムが流出することをCa2+誘導性Ca2+放出といいますが、このCa2+誘導性Ca2+放出は、細胞内カルシウムイオン濃度の上昇により小胞体内にカルシウムが流出することをCa2+誘導性Ca2+放出といいます。 膵島β細胞膜の Cav チャネルと細胞内カルシウムライブラリーの IP3R チャネル、RYR チャネル、NAADP 受容体チャネルはインスリン分泌過程に関与する 4 大受容体チャネルである。 膵島βの細胞外カルシウムの流入は主にCavチャネルを介して行われる． 電気生理学的な特徴により、Cav チャネルは L 型、P/Q 型、N 型、R 型、T 型に分類され、このうち L 型 Cav チャネルはインスリン分泌の引き金として決定的な役割を担っていると言われています。 Cav チャネルは通常、α1、α2δ、β、γのサブユニット4〜5個から構成されています。 α1サブユニットはCavチャネルのメインサブユニットであり、カルシウムイオンの輸送チャネルを構成している。 その他のサブユニットはCavチャネルの形成には関与せず、α1サブユニットのチャネル開口を制御するため、補助サブユニットと呼ばれる。 このうち、α2δサブユニットは、細胞外のグリコシル化α2サブユニットと疎水性の膜貫通型δサブユニットがジスルフィド結合で連結している。 また、α2サブユニットにはカルシウムイオン拮抗薬の結合部位があり、ジヒドロピリジン系カルシウムイオン拮抗薬は主にα2サブユニットに結合することで機能する。 IP3Rは、相対分子量約240000〜300000の糖タンパク質である。 IP3R は I-V 型に分類され、そのうち I-III 型は膵島β細胞に発現しており、特に III 型が最も多く発現しています。 IP3R は、β細胞の小胞体に分布しており、インスリン分泌顆粒にも存在することが確認されています。 IP3Rは、イノシトール三リン酸（IP3）と結合し、カルシウムイオンを輸送する性質を持っています。 IP3R はホモ4 量体が非共有結合で形成されており、各サブユニットが 1 分子の IP3 と結合することができる。 IP3Rは3つの部分に分けることができる。 IP3Rは、IP3結合部、機能調節部、カルシウムイオンチャネル部の3つに分けられる。 カルシウムチャネル領域はIP3Rの4量体構造形成の基礎となるため、IP3Rの構造にとって非常に重要な領域である。 RYRチャネルは小胞体と筋小胞体に発現する45,000アミノ酸のタンパク質で、相対分子量は565,000である。 RYRはコードする遺伝子によって3つのサブタイプに分類される。 RYR1、RYR2、RYR3です。
カルシウムチャネル関連疾患とその作用機序
カルシウムチャネルは膜貫通型のマルチサブユニット蛋白で，電位依存性カルシウムチャネルはL型（Cav1），P/Q型（Cav2.1），P/Q型（Cav2.2）に大別される．1）、N型（Cav2.2）、R型（Cav2.3）、T型（Cav3）などのサブタイプがあり、神経細胞や心筋などに分布し、神経伝達物質の放出や心筋の活動電位に関与している。 本研究では、抗うつ剤がGタンパク質共役型受容体と電位依存性カルシウムチャネルが関与して海馬の雌性化を刺激することを明らかにした。 L型カルシウムチャネル遮断薬は、双極性障害、統合失調症、およびうつ病などの一連の精神神経疾患を治療できることが臨床的に証明されている。 Cav1 と Cav3 分子は、げっ歯類の感情（不安、うつ）、社会的行動、認知に関連しています。 P型およびP/Q型カルシウムチャネルを選択的に遮断するω-viral IVAでカルシウムチャネルを遮断すると、シナプス伝達の効率が変化することがわかり、P型およびP/Q型カルシウムチャネルが海馬の神経に関与していることが明らかになりました。 研究では、全細胞パッチクランプ記録とCa2+イメージング技術を用い、急性脳切片の海馬CA1領域の錐体ニューロンにおける長期抑制のメカニズムを調べ、海馬錐体ニューロンおよびシナプス可塑性にN型Ca2+チャネルが関与していることを明らかにした。 膵島β細胞は細胞外グルコース濃度の変化に対して非常に敏感である。 細胞外のグルコース濃度が上昇すると、グルコースはβ細胞膜上のグルコース担体を介してβ細胞内に取り込まれます。 クレブスサイクルを介して、細胞内のATP/ADP比が上昇します。 ATP感受性カリウムチャネルが閉じ、K+の流出が減少し、β細胞膜が脱分極し、Cavチャネルが開き、外部から流入するカルシウムにより細胞内のカルシウムイオン濃度が上昇し、エクソサイトーシスが起こり、インスリンベシクル膜にβが形成されます。 細胞膜のアクチンの働きにより、インスリン小胞膜とβ細胞膜が融合して膜融合孔が形成され、小胞内のインスリンが融合孔を通って細胞外に放出され、β細胞のエキソサイトーシスプロセスが実現されるのである。 2, 2-ジチオジピリジン、チオペンタール、インターロイキン6など様々な薬剤がグルコース刺激によるインスリン分泌を誘導したり、その効果を増大させたりしますが、いずれもIP3Rチャンネルに関与するカルシウムイオンの放出が関与しています。 細胞内最大のカルシウム貯蔵庫である小胞体は、IP3RとRYRを持ち、インスリン分泌に重要な役割を果たしている。ラットインスリノーマ細胞株INS1では、IP3を介したカルシウムプールを空にすることによりインスリン分泌を抑制することが可能であった。 以上の実験から、IP3Rチャネルがインスリン分泌過程に関与していることが確認された。 RYRはグルコースとインクレチン分泌ペプチドを介したβ細胞のインスリン分泌に関与しており、糖尿病の状態ではβ細胞におけるRYRの発現が低下していることが確認されている。 RYR は、膵島β細胞の小胞体上に発現しているほか、β細胞のインスリン分泌小胞にも存在している。 インスリン小胞エクソサイトーシスのトリガー過程には、局所CICRが関与していると考えられる。インスリン分泌は、膵島β細胞の細胞内カルシウム濃度の上昇により、カルモジュリン依存性プロテインキナーゼが活性化し、RYR2をリン酸化して小胞体カルシウムの流出を生じさせることにより、トリガーされる。 このCICR過程はグルコース濃度依存的である。 RYR2のリン酸化は、細胞内カルシウム貯蔵量の放出を引き起こし、インスリン分泌を媒介するメカニズムであると考えられている。 Dixitらは、RYR2型チャネルのリン酸化を模倣してRYR2チャネル変異体をマウスにノックし、RYR2を介したカルシウムの流出が増加し、その結果、基礎的高インスリン血症が生じることを明らかにした。 どちらの実験も、RYRがインスリン分泌過程に関与していることを実証している。 NAADP 受容体チャネルは、グルコースおよびインクレチン分泌ペプチドを介したβ細胞のインスリン分泌にも関与している。 グルカゴン様ペプチド 1 のようなインクレチン分泌ペプチドは、β細胞のカルシウム放出を誘導することが研究で示されています。 カルシウムの一次放出はNAADPを介し、カルシウムの二次放出は環状アデノシン二リン酸リボースポリメラーゼを介し、プロテインキナーゼAと環状アデノシン一リン酸分泌により制御されるグアニンヌクレオチド交換経路を介して最終的にインスリンを完成させる。 また、NAADPはグルカゴン様ペプチド-1によるカルシウム放出に関与するだけでなく、カルシウムのシグナルとして働くことも確認された。 NAADPによるカルシウム放出には、TPC1とTPC2の両方が関与していることが研究により確認されているが、CICRはTPC2と密接な関係にあることが判明した。 一方、TPC3を発現させると、NAADPによるカルシウム放出が抑制された。 結局，TPCの発現はエンドソームの構造や動態に影響を与え，NAADPは小胞輸送を制御する重要なプレイヤーであることがわかった
参考文献。
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