Inleiding van calciumkanaal
Calcium is de oudste en meest gebruikte signaalstof in de cel en is betrokken bij de regulatie van bijna alle biologische functies van het lichaam, zoals hart- en spiercontractie, neuronale transmissie, leren en geheugen, embryogenese en ontwikkeling, celproliferatie en -apoptose, celdeling en -differentiatie, celenergiemetabolisme, wijziging van eiwitfosforylatie en -defosforylatie, en genexpressie en -regulatie. De cytoplasmatische vrije calciumionconcentratie van zoogdiercellen wordt over het algemeen geregeld op 100-200 nmol/L. De steile maar strak gecontroleerde concentratiegradiënt van calciumionen tussen het celmembraan en het cytoplasma en de organellen wordt in stand gehouden en dynamisch gereguleerd naar gelang van de behoeften van de cellen. De samenwerking berust op een verscheidenheid van ionenkanalen, ionenpompen en transporters. Hoewel verschillende cellen verschillende specifieke mechanismen hebben, zijn de moleculen die betrokken zijn bij het calciumkanaal onder meer celmembranen en membraanionkanalen van organellen (die calciumionen naar het cytoplasma transporteren), transporters van celmembranen en organelmembranen (waaronder primair actief transport en secundair transport), cytoplasmatisch en organel calciumbuffereiwit (gecombineerde opslag van calciumionen), enz. Elke afwijking in de schakels kan instabiliteit van de calciumhomeostase veroorzaken en ziekte veroorzaken. Opheldering van het regulatiemechanisme van calcium kanalen onthult een van de fundamentele schakels van calcium homeostase en de regulatie van levensprocessen.
Het familielid van calcium kanalen en hun structuren respectievelijk
Het calcium ion kanaal is een eiwitcomplex dat calcium ionen laat stromen tussen de binnen- en buitenkant van de cel, alsmede tussen de organel en het cytoplasma. De bronnen van intracellulair calcium zijn twee soorten: extracellulaire calciuminstroom en intracellulaire calciumvoorraden. De instroom van extracellulair calcium in de cel kan worden bewerkstelligd door de volgende drie receptorkanalen: Cav kanaal, receptor-gated calcium kanaal, calcium reservoir controlerende calcium kanaal, en intracellulaire calcium opslag release is voornamelijk door 4 receptor kanaal paden, dat wil zeggen IP3R kanaal, ryanodine receptor kanaal, nicotinezuur adenine dinucleotide fosfaat (NAADP) receptor kanaal, en mitochondriale receptor kanaal. Daarnaast wordt de calciumuitstroom in het endoplasmatisch reticulum, veroorzaakt door een verhoging van de intracellulaire calciumionconcentratie, Ca2+ geïnduceerde Ca2+-afgifte genoemd. Het Cav-kanaal op de membraan van de islet β-cel en het IP3R-kanaal, het RYR-kanaal en het NAADP-receptorkanaal op de intracellulaire calciumbibliotheek zijn de vier belangrijkste receptorkanalen die betrokken zijn bij het insulinesecretieproces. Islet β extracellulaire calcium influx is voornamelijk door de Cav kanaal. Volgens de elektrofysiologische kenmerken kunnen Cav-kanalen worden onderverdeeld in L-, P/Q-, N-, R- en T-types, waarvan L-type Cav-kanalen een doorslaggevende rol spelen bij het op gang brengen van de insulinesecretie. Het Cav-kanaal bestaat gewoonlijk uit 4 of 5 van de α1-, α2δ-, β- en γ-subeenheden. De α1-subeenheid is de belangrijkste subeenheid van het Cav-kanaal, dat het transportkanaal van calciumionen vormt. Andere subeenheden nemen niet deel aan de vorming van het Cav-kanaal, maar reguleren de opening van het kanaal van de α1-subeenheid en worden daarom hulpsubeenheden genoemd. Onder hen is de α2δ-subeenheid verbonden door een extracellulaire geglycosyleerde α2-subeenheid en een hydrofobe transmembrane δ-subeenheid door middel van een disulfidebinding. Bovendien heeft de α2-subeenheid een bindingsplaats voor een calciumion-antagonist, en de dihydropyridine calciumion-antagonist functioneert voornamelijk door binding aan de α2-subeenheid. IP3R is een glycoproteïne met een relatieve molecuulmassa van ongeveer 240000 tot 300000. IP3R wordt onderverdeeld in type I-V, waarvan type I-III tot expressie komt op islet β-cellen, met name type III is het meest overvloedig aanwezig. IP3R is gedistribueerd in het endoplasmatisch reticulum van beta-cellen, en studies hebben bevestigd dat IP3R ook aanwezig is op insulinesecretoire granules. IP3R heeft de eigenschap zich te binden aan inositoltrifosfaat (IP3) en calciumionen te transporteren. IP3R wordt gevormd door niet-covalente associatie van homotetrameren, en elke subeenheid kan één molecuul IP3 binden. IP3R kan verdeeld worden in drie delen: IP3 bindingszone, functieregulatiezone en calciumionkanaalzone. De calciumkanaalzone is de basis voor de vorming van de IP3R-tetramerstructuur, zodat de calciumkanaalzone zeer belangrijk is voor de structuur van IP3R. Het RYR-kanaal is een eiwit van 45.000 aminozuren dat tot expressie komt in het endoplasmatisch reticulum en het sarcoplasmatisch reticulum, met een relatieve molecuulmassa van 565.000. Afhankelijk van het coderende gen wordt RYR onderverdeeld in drie subtypes: RYR1, RYR2 en RYR3. Er zijn voornamelijk RYR2-kanalen op het endoplasmatisch reticulum van islet β-cellen.
Calciumkanaal-gerelateerde ziekte en het mechanisme van de werking van het calciumkanaal in deze ziekte
Het Ca2+-kanaal is een transmembraan multi-subeenheid eiwit, en het spanningsafhankelijke Ca2+-kanaal wordt over het algemeen ingedeeld in L-type (Cav1), P/Q-type (Cav2.1), N-type (Cav2.2), en R-type (Cav2.3) en T-type (Cav3) en andere subtypen, verspreid in neuronen, hartspierweefsel en andere delen, en betrokken bij de afgifte van neurotransmitters en het actiepotentiaal van de hartspier. Uit de studie bleek dat antidepressiva de gynogenese in de hippocampus stimuleren, waarbij G-eiwit gekoppelde receptoren en spanningsafhankelijke calciumkanalen betrokken zijn. Klinisch bewijs suggereert dat L-type calciumkanaalblokkers bipolaire stoornis, schizofrenie en een reeks neuropsychiatrische ziekten, zoals depressie, kunnen behandelen. Cav1- en Cav3-moleculen worden in verband gebracht met emoties (angst, depressie), sociaal gedrag en cognitie bij knaagdieren. Studies hebben aangetoond dat het blokkeren van calciumkanalen met selectieve P-type en P/Q-type calciumkanaalblokker ω-viral IVA de efficiëntie van synaptische transmissie kan veranderen, wat aantoont dat P-type en P/Q-type calciumkanalen betrokken zijn bij hippocampale zenuwen. Studies hebben whole-cell patch-clamp opnames en Ca2+ beeldvormingstechnieken gebruikt om het mechanisme van lange-termijn inhibitie te bestuderen in piramidale neuronen in de hippocampale CA1 regio van acute hersenschijfjes en ontdekten dat N-type Ca2+ kanalen betrokken zijn bij hippocampale piramidale neuronen en synaptische plasticiteit. Eilandjes-bètacellen zijn zeer gevoelig voor veranderingen in de extracellulaire glucoseconcentratie. Wanneer de extracellulaire glucoseconcentratie verhoogd is, wordt glucose opgenomen in de bètacellen via de glucosedrager op het membraan van de bètacel. Via de Krebs-cyclus wordt de intracellulaire ATP/ADP-verhouding verhoogd. Het ATP-gevoelige kaliumkanaal wordt gesloten, de K+-uitstroom wordt verminderd, het β-celmembraan wordt gedepolariseerd, en het Cav-kanaal wordt geopend, en de externe calciuminstroom verhoogt de intracellulaire calciumionconcentratie, waardoor de exocytose en de β op het insulineblaasjesmembraan in gang worden gezet. De actine in het celmembraan zorgt ervoor dat het membraan van het insulineblaasje versmelt met het membraan van de β-cel, zodat een membraanfusieporie ontstaat, en de insuline in het blaasje door de fusieporie in de extracellulaire ruimte terechtkomt en het exocytoseproces van de β-cel tot stand komt. Een verscheidenheid van geneesmiddelen, zoals 2, 2-dithiodipyridine, thiopental, en interleukine 6 kan het effect van glucose-gestimuleerde insuline secretie induceren of verhogen, die allemaal het vrijkomen van calciumionen betrokken bij het IP3R kanaal impliceren. Als het grootste calciumreservoir in de cel beschikt het endoplasmatisch reticulum over IP3R en RYR, dat een belangrijke rol speelt bij de insulinesecretie; in de ratteninsulinoma cellijn INS1 kan de insulinesecretie worden geremd door de IP3-gemedieerde calciumpool leeg te maken. Alle bovengenoemde experimenten bevestigden dat het IP3R-kanaal betrokken is bij het insulinesecretieproces. RYR is betrokken bij glucose en incretine-afgescheiden peptide-gemedieerde β-cel insuline secretie, en de toestand van diabetes is geassocieerd met verminderde expressie van RYR in beta-cellen. RYR komt niet alleen tot expressie in het endoplasmatisch reticulum van de β-cellen van het pancreaseilandje, maar is ook aanwezig in de insulinesecretoire blaasjes van de bètacellen. Lokale CICR kan betrokken zijn bij het proces dat de exocytose van insulineblaasjes in gang zet; de insulinesecretie wordt op gang gebracht door een verhoging van de intracellulaire calciumconcentratie in de β-isletcellen, die leidt tot de activering van calmoduline-afhankelijk proteïnekinase, dat RYR2 fosforyleert en de calciumuitstroom in het endoplasmatisch reticulum veroorzaakt. Dit CICR-proces is afhankelijk van de glucoseconcentratie. Fosforylering van RYR2 wordt verondersteld een mechanisme te zijn dat de vrijmaking van intracellulaire calciumvoorraden veroorzaakt om insulinesecretie te mediëren. Dixit et al. klopten de mutant van het RYR2-kanaal in muizen, waarbij fosforylering van het RYR2-type werd nagebootst, wat resulteerde in een verhoogde RYR2-gemedieerde calciumuitstroom, die op zijn beurt basale hyperinsulinemie veroorzaakte. Beide experimenten tonen aan dat RYR betrokken is bij het insulinesecretieproces. Het NAADP-receptorkanaal is ook betrokken bij de glucose- en incretine-afgescheiden peptide-gemedieerde insulinesecretie van de bètacel. Studies hebben aangetoond dat incretine-afgescheiden peptiden, zoals glucagon-like peptide 1, de calciumafgifte in de bètacellen induceren. Primaire calciumafgifte wordt gemedieerd door NAADP, en secundaire calciumafgifte wordt gemedieerd door cyclisch adenosinedifosfaat ribosepolymerase, dat uiteindelijk de insuline voltooit via de guanininenucleotide-uitwisselingsroute die wordt gereguleerd door proteïne kinase A en cyclisch adenosinemonofosfaatafgifte. Bovendien bevestigde de studie ook dat NAADP niet alleen een rol speelt in de glucagon-like peptide-1-geïnduceerde calciumafgifte, maar ook fungeert als een calciumsignaal. Studies hebben bevestigd dat zowel TPC1 als TPC2 betrokken zijn bij NAADP-geïnduceerde calciumafgifte, maar CICR is nauw verwant aan TPC2. Expressie van TPC3 daarentegen remde NAADP-geïnduceerde calciumafgifte. Uiteindelijk beïnvloedt de expressie van TPC de structuur en dynamiek van endosomen, waardoor NAADP een belangrijke speler wordt in het reguleren van vesicle trafficking.
Reference:
- Nimmrich V, Eckert A. Calcium channel blockers and dementia. British Journal of Pharmacology. 2013, 169(6):1203-1210.
- Simms B A, Zamponi G W. Neuronal voltage-gated calcium channels: structure, function, and dysfunction. Neuron. 2014, 82(1):24-45.
- Hofmann F, Flockerzi V, Kahl S, et al. L-type CaV1.2 calcium channels: from in vitro findings to in vivo function. Physiological Reviews. 2014, 94(1):303-326.
- Dolphin A C. Calcium channel auxiliary α2δ and β subunits: trafficking and one step beyond. Nature Reviews Neuroscience. 2012, 13(8):542.
- Dong H, Klein M L, Fiorin G. Counterion-assisted cation transport in a biological calcium channel.Journal of Physical Chemistry B. 2014, 118(32):9668.