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【教科書訳】Clチャネルの種類と特性

神経生理の世界では定番のテキスト、
Ion Channels of Excitable Membrane

ひたすらチャネルについてのみ語るテキストなので、かなりマニアックです。
(しかし、それでも個々のチャネルのことを知るには本書では浅すぎるので、いかにチャネルだけでも広くて深い分野なのかが推察できます)

現在、ラボで院生が中心となってこのテキストを輪読しております。
私が最初に担当した、pp158~167のClチャネル(クロライドチャネル;塩素チャネル)の部分の日本語訳をアップします。

いつも通り、訳の正しさは保証できません。
(実際、先輩に致命的なミスを一箇所指摘されました)

アップロードに若干の責任は伴うものの、
このまま自分のパソコンに保存したところで何の役にも立たないので、
とりあえず誰かの役に立つ可能性のあるモノはネットの海に放り込もうと思っています。

以下、本文。
【pp158-】

Ihチャネルとは
多くの細胞では、過分極によってゆるやかに活性化されるカチオンチャネルがもう一種類存在する。心臓ペースメーカーやプルキンエ繊維では、過分極によりは内向きの電流が増加する。このような電流は、文献にIh, If, IQ, IARなど様々な呼称があるが、本書ではhyperpolarizationの頭文字hをとって(なぜなら過分極hyperpolarization依存的な電流だから)Ihと呼ぶことにする。

Ihチャネルの特性:他チャネルとの比較
Ihチャネルはその特性により、電位依存性チャネルのスーパーファミリーに分類される。

□Kirチャネルとの類似点
・負の電位で開く
・正の電位で閉じる
・Cs+イオンやRb+イオンで阻害される

□Kirチャネルとの相違点
・ N+イオンに対してもK+イオンと同レベルの透過性を示す
・-20mV近くの反転電位では、電流電圧関係がほぼ線形となる
・Ba+イオンによる阻害は強くない
・ゲーティングは遅い
・細胞外K+イオン濃度の変化は電位依存性に影響を与えない

□Na, Ca, 遅延整流性Kチャネルとの類似点
・ゲーティングは急勾配の電位感受性を示す
・時間とともにシグモイド曲線を描いて活性化する

□Na, Ca, 遅延整流性Kチャネルとの相違点
・不活性化もシグモイド曲線である

□他の全ての電位感受性チャネルとの相違点
・IhチャネルのゲーティングはcAMPの結合によって、電圧の軸に沿ってシフトする。
これにより、二次メッセンジャーに対する脱分極効果の感受性が高まる。

様々な器官におけるIhの役割
Ihチャネルは開口時に内向きの電流を流すので、膜電位が強い負の時にはゆっくりとした脱分極を誘発する。加えて、cAMP濃度の上昇により、Ihチャネルは開きやすくなり、脱分極が促進される。

・脊椎動物の光受容器では、Ihは明るい光による強い過分極を抑制する。
・中枢神経系では、Ihはリズムを持ったバースト発火に関与し、強い抑制効果と、抑制後のリバウンドを誘発する。
・心臓では、Ihはペースメーカー電流と呼ばれている。負電位での活動がゆっくりとしたペースメーカー脱分極を引き起こしているからである。

心臓のペースメイキング
心臓のリズムは、少なくとも4つの電流が相互作用している。Ih、IK、ICaおよびバックグラウンドの内向き電流である(Na+やCl-が考えられる)。Figure5.15Bを見ると、ペースメーカー電位が数百ミリ秒にわたってゆるやかに20~30mVほど上昇していくことがわかる。その後、Ca+による活動電位が起こり、電位が急激に上昇する。イカの巨大軸索やAnisodoris の細胞体の後過分極と同様、洞房の膜電位は各活動電位の後の高いgKによって深い負電位となる。この効果は洞房結節において顕著で 、これらは細胞膜においてほぼ唯一の開いているKチャネルである。ペースメーカー脱分極の一部は、負電位における時間依存的なKチャネルの不活性化の影響である。

Figure3.7Bからわかるように、心臓の遅延整流器は、軸索と比べて100倍~1000倍もゆっくりと活性化or不活性化する 。従ってgKの脱活性化には数百ミリ秒を要する。Kチャネルが閉じても、EKよりも正の逆電位を持ったチャネルが他にも開いていない限り、細胞は脱分極しない。イカやAnisodorisのモデルでは、リーク電流によって脱分極が起こる。心臓ペースメーカーの場合、Ihだけではなくバックグラウンドの内向きの電流によっても脱分極が起こるかもしれない。ペースメーカー電位の最後の30%の時間では、脱分極に従って徐々にT型のチャネルが活性化され、もう一つの内向きの電流であるICaが発生する。これらのチャネルは最終的に活動電位を引き起こす。ゆっくりとした拍動は、IKと他の2つの内向きの電流の相互作用によって説明できるかもしれない。しかし、交感神経が心臓を興奮させるためにノルエピネフェリンを放出するに従って、Ihは重要な要素となる。いくつかの電流のゲーティングは変化し、ペースメーカー電位の初期ではIhにより内向きの電流がゆっくりと発生して、脱分極を加速する。この点に関しては7章で論を展開する。

Ihチャネルの構造的特性
哺乳類ではIhチャネルをコードする遺伝子が少なくとも4つ同定されている。Drosophilaでは一つで、C.elegansではまだ一つも同定されていない。その構造には次のような特徴がある。
・配列は6TMのKチャネルに似ていて、S4ドメインに正の電荷を持っている。
・Pループの選択フィルターにGYGモチーフを持っている。
・以上二点の他には、Kチャネルには存在する特徴的な配列はない。
・脱分極の際には、S4ドメインは膜電位の電界から離れる方向に動く(Kチャネルと同じ)。
・ゲートが開くときのコンフォメーションの変化との関係はKチャネルと逆。
・細胞質側にあるC末は典型的なサイクリック・ヌクレオチド結合ドメインがあり、cAMPに対して直接的な感受性を示している。

Several strategies underlie slow rhythmicity

ゆっくりとしたリズムを作るシステム
心臓のリズムと、神経細胞が発火する長期的な周期性には類似性がある。インターバルの間、K+イオンに対する正味のコンダクタンスは減少する。心臓では、この減少は活動電位を再分極させるKチャネルと同様の、ゆっくりとした脱分極である。Anisodorisの神経細胞では様相が異なる。活動電位gKはもっと早く不活性化するが、この短い過分極はA型チャネルの不活性化を消去するのに十分である。脱分極はIAを活性化し、インターバルの時間を決めるIAのゆっくりとした不活性化に続く。他の神経細胞では、SK型IK(Ca)チャネル がスパイク間のインターバルを長くする。同様に、多くの内向きの電流がゆっくりとした脱分極に関わっている。心臓について議論してきた3つの電流(Ih、非不活性型のINa、およびICa(T))は様々な神経細胞でも見られる。心臓や神経細胞には、細胞内でCa2+が蓄積されることによって活性化する非選択性のカチオンチャネルがある。また、全ての神経細胞には脱分極を引き起こす入力がある。二次メッセンジャーによる、活動の周期性とその制御については7章で論ずる。

Cl channels stabilize the membrane potential

Clチャネルとは

次はアニオンチャネルに話を移そう。クロライドは生体の中で最も多く存在するアニオンである。動物細胞の多くでは、クロライドはほとんど平衡状態で分布しており、細胞質側のCl-濃度は常に血漿濃度よりも低い。平衡電位EClも静止電位に近い(表1.3)。いくつかの興奮細胞ではEClは静止電位と同じではないが、静止電位よりも15mV以上ずれることはない。よってKチャネルと同様、Clチャネルも通常の興奮性を抑制すると考えられ、脱分極した細胞を再分極させて安定化させる作用がある。Cl-イオンは細胞内のpH制御や細胞の体積制御、上皮などからの分泌物制御にも重要な役割を果たしている。

カチオンチャネルと同様、Clチャネルも多様である。しかしその記述やクローニングはNa、K、Caチャネルと比べればかなり遅れている。化学シナプスで神経伝達物質によってゲーティングが起こるClチャネルについてはいったん議論を保留する。これらのシナプス性チャネルはリガンド依存性ファミリーに属し、抑制性の神経-神経シナプスや一部の無脊椎動物の抑制性神経筋接合部に顕著である。GABAやグリシンによって開閉するこれらのアニオンチャネルについては6章で詳述する。ここでは、生理学的な注目度は低いが普遍的に存在するClチャネルについて論ずる。

これまで、脊椎動物の単収縮筋におけるClチャネルはバックグラウンドとみなされてきた。神経とは異なり、静止状態での筋繊維はK+イオンよりも3~10倍もCl-イオンを透過しやすい。この透過性は、電位依存性や時間依存性が緩やかで遅い。よって、典型的な電位固定法では、IClは線形のリークにまとめられる。しかし薬理学的な実験では、Cl-イオンは明らかにClチャネルを通っているとわかる。なぜなら、Zn2+、低pHなどの外的要因(哺乳類の筋肉では種々の芳香族モノカルボン酸)によってCl電流が阻害されるからである(Figure 5.16)。

Clチャネルは、多くの小さなアニオン(ex: Br-, I-, NO33-、HCO3-、SCN-)にも透過性を示し、その透過性に大きな違いはない。小さな有機酸に対しても同様の透過性を示す。よってClチャネルは広くアニオンチャネルと呼ばれる。植物・菌糸類・バクテリアではNo3-や有機酸などが主要の電解液であり、これらのイオンに対する透過性は生理的に重要なものとなる。

gClは単収縮筋の静止状態での主要なコンダクタンスであり、かつCl-イオンはほとんど平衡的に分布しているため、Clチャネルは膜電位を安定化させ、局所的な電化分布を妨げる役割を果たしている。ヒトの先天性筋緊張症myotonia congenita はClチャネルの異常が原因である。筋繊維のgClが通常よりも低く、運動によって筋痙攣が引き起こされるのに従って興奮性亢進が現れる。同様の興奮性亢進や連続的な発火はClチャネル遮断剤を投与することでも見られる。ClC-1と呼ばれる、最初にクローニングされたClチャネルが変異すると、ヒト・マウス・ヤギにおける先天性筋緊張症が誘発される。通常使われる巨大軸策や神経細胞対にはClの透過性は高くないが、これらの部位であってもバックグラウンドのgClや単一のClチャネルは存在する。

Cl channels have multiple functions

多様な機能を持つClチャネル
電機生理学的な研究により、生物物理的手法や薬理学的な手法によって多くのClチャネルの存在が明らかにされてきた。
Table5.3に、心筋と上皮細胞による研究のまとめが示してある。実験手法上、Clチャネルは4つに分類されている。その基準は、(1)細胞内のCa2+の上昇、(2)過分極、(3)細胞の膨張、(4)cAMP依存的なリン酸化 によって活性化されるかどうかである。これから各々について論じよう。Clチャネルの分子的な相互作用がわかれば、おそらくそれぞれの機能的なカテゴリーは多くの遺伝子産物に対応することがわかり、他の分類方法があることもわかるであろう。

第4章では、ClチャネルがCa2+濃度の上昇によって活性化されることを紹介した(Figure 4.10A)。これらのチャネルはCl(Ca)チャネルと呼ばれ、最初はサラマンダーの桿体光受容器やXenopus oocyte、分泌上皮細胞から見つかった。続いて、神経や筋肉を初めとした多くの細胞にも見つかり、現在では植物や藻類からも見つかっている。ラットの涙腺細胞の研究では、Cl(Ca)チャネルは多様な小型アニオンを透過することがわかった。その透過性は、I->NO3->Br->Cl->F->イセチオン酸 の順に高い。Panion/PClはそれぞれ、2.7:2.4:1.6:1.0:0.18:0.11である。チャネルが開く確率は、Ca濃度上昇によっても、脱分極によっても上昇する。K(Ca)チャネルでは、Ca濃度上昇は脱分極を弱める。細胞内Ca濃度感受性は非常に高いため、いくつかのCa2+イオンがチャネルに結合して活性化させていると考えられる。しかしその電位感受性は、典型的な電位感受性Na.K,Caチャネルほど大きくはない。同様の特性は、Xenopus oocyteやラットの涙腺における内因性Cl(Ca)チャネルでも見られる。

耳下腺や他の輸送上皮は各部位の間を流れる塩を輸送する。9章で詳述するが、多くのNa+、K+、Cl―チャネル(Cl(Ca)チャネルを含む)は、上皮細胞の層を横断する塩の量を調整するために重要な役割を果たす。分泌の生理学的制御はこれらのチャネルによって行われることが多く、たとえばホルモンが細胞内Ca2+濃度を上昇させるとCl(Ca)チャネルが活性化される。神経細胞では、こういったチャネルはK(Ca)チャネルのSK型と同様の安定化作用を持つ。Cl(Ca)チャネルは後過分極や後脱分極を引き起こす。これは静止電位に対する相対的なEClの値に依存し、活動依存的で、ゆっくりと衰えていく。

NitellaやCharaといった淡水の巨大藻類は、クロライドの勾配は動物細胞の勾配とは逆になり、EClは正の値をとる。これらの細胞の活動電位は3つの段階を経る。

(1) 細胞内を自由拡散できるCa2+が、電位依存的なCa2+の流入か、細胞内のCaストアからの放出によって上昇する。
(2) Cl(Ca)チャネルが開き、Cl-イオンが細胞内から流出し、EClに向かう強力な脱分極のドライブがかかる。
(3) 数秒後、電位依存性Kチャネルが開き、K+イオンが流出して、細胞は最分極する。

他のClチャネルは、Ca2+が直接的に活性化しなくても、強い電位依存性を持っている。その一部は脱分極によって活性化し、他のものは過分極によって活性化する。Christopherらがこれを最初に発見したときの実験は、まずシビレエイの電気器官から採ってきたベシクルの断片を脂質二重膜で融合させ、コンダクタンスの小さいClチャネルを記録するというものだった。電位依存的な速いor遅いゲーティングプロセスが観察され、その依存性はゲーティングチャージ1-2と同値である(式2.22) 。以下Christopherに従い、このゆっくりとしたゲーティングプロセスを不活性化と呼ぶ。これらのチャネルには2つの特徴的な点がある。

(1) ゲーティング部位は2つの独立したポアとして振舞う。2つの穴を持つサブユニットのホモダイマーでできていると考えられる。よってこのゆっくりとした不活性化のゲーティングプロセス(τ≒20s)は2つのポアに同時に影響を与える。ゲートが開いているときには、速い活性化のゲーティングプロセス(τ≒15ms)が2つのポアを独立に開閉する。電位が負の時にはゆっくりとした不活性化はなくなり、脱分極によって速い開口が促進される。

(2) 速いゲーティングは細胞外の浸透性イオン濃度に強く依存する。細胞外のクロライドイオンが高ければ高いほど、最小限のポアを開くために必要な脱分極は小さくなる。ワーキングモデルでは、ポアに結合する透過性のアニオンが電位センサーとして機能し、透過が開始されるとされる。脱分極によってアニオンは電界を通り抜け、内部に来る。この変化は最初のゲートを開くのに都合が良い。イオンは絶えずポアを通って移動しているので、このような非平衡なゲーティングモデルはHodgkinとHuxleyによるNaとKチャネルのモデルとはかなり異なる。詳細は今後の研究成果に期待される。

Clチャネルはシビレエイから初めてクローニングされた。少なくとも9つはある哺乳類のClチャネル遺伝子のファミリーの中で、これは哺乳類ではない動物から採られたため、このチャネルはClC-0と名づけられた。哺乳類での最初のClチャネルはClC-1と名づけられ、骨格筋細胞から見つかった。ClCファミリーのサブユニットは、それまで知られていたどのカチオンチャネルとも似ていなかった。およそ11の膜貫通部位を持っていると考えられ、そのいくつかはポアを形成している。Na,K,CaチャネルのS4ドメインのように明らかな電荷を持った部位も存在しない。DrosophilaにはClC遺伝子が3つ、C.elegansには6つ存在する。これらはClチャネルの中でも古典的なファミリーに属し、バクテリア、藻、高等植物と明らかな相同性を示す。

Clチャネルの異常と疾患
ClCファミリーには多くのClチャネルがあるが、その機能はヒトの遺伝病から最も明確にわかる。たとえば、腎臓の近位尿細管に発現しているClC遺伝子が欠損していると、尿の塩濃度が極度に上昇して、腎臓結石ができる。腎臓の上行肢に発現している他のClC遺伝子が欠損していると、塩の再吸収が阻害され、塩が無駄に排出されてしまう上に、細胞外の体積が萎縮してしまう。

一部のClチャネルは、浸透圧による過度の細胞膨張を防ぐ役割を持つ。高張液に晒された細胞は、いったん膨張した後に塩を放出してもとの大きさに戻る。これは制御された細胞収縮である。実質的に全ての哺乳類の細胞において、この反応の開始は体積依存的なアニオンチャネルが担っている(他のチャネルも必要である)。ある仮説によれば、体積センサーは細胞骨格と相互作用していて、その骨格は細胞膜と接しており、ストレスや膜陥入の消滅に応答して二次メッセンジャーを放出するとされる。これらのチャネルは現在、精力的に研究が進められている。

先に示したように、上皮からの塩と水の放出はイオンチャネルの開口によって制御されている。2つの細胞内シグナルが頻繁に利用される。一つは細胞内Ca2+濃度の上昇であり、もう一つはcAMPの上昇である。cAMPの生産とその下流のタンパク質リン酸化については7章で扱う。上皮の標的タンパク質の中で特に重要なClチャネルはCFTR(Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator)である。これはアニオンチャネルであり、最大限に活性化するためには、cAMP依存性タンパク質キナーゼのリン酸化とATPの加水分解が必要である。クローニングされたCFTRはATP-binding cassetteプロテインファミリーの一つであり、2つのモチーフリピートと、6つの膜貫通部位を持ち、ヌクレオチド結合ドメインと”制御部位”がある。この遺伝子が変異を起こすと、肺や胃腸管における塩の分泌が阻害されることで嚢胞性線維症 が起こり、致命的となる。CFTRは心筋にも発現しており、cAMPレベルが上昇しているときに活動電位を短くする役割も担っている。

他のClチャネルは、パッチクランプ無傷細胞に見られる。その一部は最大のシングルチャネルコンダクタンスを有している(400-430pS)。これらmaxi-Clチャネルの一つは単一ゲーティングユニットとして機能し、0mVで開口確率が最大となり、0mVからわずか±20mV離れた電位で閉じる。

他の最大コンダクタンス(>200pS)を持ったClチャネルは多様なサブコンダクタンスレベルの間を高速で遷移する。ある報告によれば、同じサブコンダクタンスレベルの電位が7~16層も存在するとしている。あたかも、このチャネルがいくつものポアの複合体であるかのような振舞いである(ストローの束みたいな)。他の説明としては、ポアが多くの部位の配置変化によってゆらぐからという考え方もある。これらのKチャネルのゲーティングはゆっくりで、集合体レベルでは悉無的な開口を示し、その下位レベルでは速い開口を示している。

まとめ
以上のことをまとめよう。

・バックグラウンドのClチャネルは多くの細胞で見られる。特に骨格筋では、Clチャネルが膜電位を安定化させる役割が大きい。

・多くの細胞では電位依存性Clチャネルが存在する。しかしその役割はまだよくわかっていない。そのどれもが、電位依存性受容体のスーパーファミリーであるNa,K,Ca,チャネルとも近縁にはない。

・神経のCl(Ca)チャネルはおそらくスパイク間の電位変化の軌道を変化させることでエンコーディングに影響を与えている。

・分泌性上皮細胞では、Clチャネルは電解質輸送とその制御に中心的な役割を果たしている(9章)。
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