鉄球と鎖による不活性化
神経科学におけるモデル
開状態、閉状態、不活性化状態の電位依存性イオンチャネルの図
電位依存性イオンチャネルの図。閉鎖、開、不活性化の3つの状態を示しています。鎖状不活性化は、チャネルが開いている場合にのみ発生します

神経科学において、ボールアンドチェーン不活性化は、電位依存性イオンチャネルの急速な不活性化機構を説明するモデルです。このプロセスは、ヒンジ蓋不活性化またはN型不活性化とも呼ばれます。電位依存性イオンチャネルは、開状態、閉状態、不活性化の3つの状態を取ります。不活性化状態は主に、チャネルが開状態から不活性化状態へと急速に遷移する急速な不活性化によって達成されます。このモデルでは、安定で非伝導性の不活性化状態は、細孔の物理的な閉塞によって引き起こされると提唱されています。この閉塞は、膜の細胞質側にある一連の残基によって主要タンパク質に結合したアミノ酸の「ボール」によって引き起こされます。このボールは開いたチャネルに入り、チャネル内の疎水性内部前庭に結合します。この閉塞は、イオンの流れを遮断することでチャネルの不活性化を引き起こします。[1] [2]この現象は主にカリウムチャネルとナトリウムチャネルで研究されてきました。[3]

発見

電気生理学的証拠

足かせによる不活性化の最初の証拠は、1977年にクレイ・アームストロングとフランシスコ・ベザニラの研究によって得られました。[4] 非伝導性の物理的根拠の示唆は、イカの巨大軸索での実験から得られ、プロナーゼによる内部処理が不活性化現象を阻害することを示しました。これは、プロナーゼがチャネルブロッカーを分解し、不活性化プロセスを無効にすると推測されたため、不活性化の物理的な繋留メカニズムを示唆しました。これらの実験では、不活性化はチャネルが開いた後にのみ発生することも示されました。これは、膜を過分極してチャネルを開き、不活性化の遅延を観察することによって行われました。膜が脱分極（閉じている）しているときは不活性化は観察されませんでした。チャネルの細胞内側にテトラエチルアンモニウム（TEA）を導入すると、非不活性化チャネルで不活性化を模倣できることが分かりました。[5] TEAによるチャネルの阻害はペプチドを介した阻害と相互排他的であり、TEAが不活性化結合部位を競合することを示唆している。[6]

分子的証拠

突然変異誘発実験により、細胞内のアミノ酸配列が細孔ブロッカーの主要な候補として特定されました。[5]カリウムチャネルのチャネルブロッキングボールを構成するアミノ酸の正確な配列は、合成ペプチドの作成によって特定されました。このペプチドは、キイロショウジョウバエのShaker ShBタンパク質の20アミノ酸残基の配列に基づいて構築され、アフリカツメガエル卵母 細胞中の非不活性化チャネルの細胞内側に適用されました。このペプチドはチャネルの不活性化を回復させ、ボールアンドチェーンモデルをさらに裏付けました。β2タンパク質では、最初のメチオニンの後の最初の3つの残基が不活性化に必須であることが特定されています。最初の残基は、フェニルアラニン、イソロイシン、トリプトファンの配列モチーフを持ち、これらがなければ不活性化は起こりません。後続の残基を改変することで、不活性化の速度と効率を変化させることができますが、不活性化を完全に除去することはできません。[7]

構造的証拠

さらに最近では、アフリカツメガエル卵母細胞BKチャネルの核磁気共鳴研究により、ボールアンドチェーンドメインの構造特性がさらに明らかになった。[8]非不活性化チャネルの細胞質側にKCNMB2 βサブユニットを導入すると不活性化が回復し、ボールアンドチェーン型タンパク質の予想される挙動と一致した。NMR分析により、ボールドメインは残基1〜17と残基20〜45のチェーン領域で構成されていることが示された。中央の3つのアミノ酸は、 2つの機能領域間の柔軟なリンカー領域を構成する。ボールはβサブユニットのN末端にあり、無秩序部分（残基1〜10）と、位置11のセリンから位置16のアスパラギン酸にわたるアミノ酸ブロックで形成されるループヘリックスモチーフで構成されている。チェーンドメインの構造は4回転αヘリックス構造である。

構造

ボールドメインとチェーンドメインはチャネルの細胞質側にあります。最も正確な構造研究はシェーカーカリウムチャネルで行われ、このプロセスに関与する正確な残基が特定されています。N末端の最初の19個のアミノ酸がボールドメインを構成します。これは11個の疎水性アミノ酸とそれに続く8個の親水性アミノ酸で構成され、そのうち4個は正に帯電しています。[9]続く60個のアミノ酸がチェーンドメインを構成します。ボールドメインのアミノ酸を化学的性質を維持しながら改変しても、不活性化機構は損なわれません。これは、ボールが共有結合ではなく静電結合によってチャネルを閉塞することを示唆しています。[10]構造研究により、カリウムチャネルの内孔は、これまで考えられていた中央経路ではなく、 4つのαサブユニットの細胞質ドメイン間のサイドスリットを通してのみアクセス可能であることが示されています[11]ボールドメインは側面のスリットからチャネルに入り、中央の空洞の奥深くにある結合部位に結合します。この過程で構造変化が起こり、ボールアンドチェーンブロッカーが伸長してチャネルの中央部に到達できるようになります。[12]

電位依存性ナトリウムチャネルの図。4つのドメインがそれぞれ6つのセグメントに分割されていることを示しています。不活性化に重要な残基が強調表示されています
電位依存性ナトリウムチャネルの図。不活性化に重要な残基を赤で示している。ドメイン構造（I～IV）はさらにセグメント（S1～S6）に細分化されている。S4セグメントは電位センサーであり、細胞膜の脱分極時に外側に移動する。これにより、ボールドメインのIFMT残基が結合するアラニン残基とアスパラギン残基が解放される。 [13]

ナトリウムチャネルのIIIドメインとIVドメインの間の正に帯電した領域も同様に作用すると考えられている。[9]ナトリウムチャネルの不活性化に必須の領域は、イソロイシン、フェニルアラニン、メチオニン、スレオニン（IFMT）からなる4つのアミノ酸配列である。[13] TとFは、チャネル細孔のドッキング部位と直接相互作用する。[14]電位依存性ナトリウムチャネルが開くと、S4セグメントがチャネルから細胞外側に移動する。これにより、不活性化ボールと相互作用するS4およびS5セグメントの疎水性残基が露出する。ボールのフェニルアラニンは、 ドメインIIIのS4-S5セグメントのアラニン、およびドメインIVのS4-S5セグメントのアスパラギンと相互作用する。[15]これは、チャネルが開いたときにのみ不活性化が起こり得る理由を説明しています。

横方向のスリットはナトリウムチャネルにも存在し、[16]ボールドメインへのアクセス経路も同様である可能性があることを示唆している。

直接不活性化と二段階不活性化には区別があります。シェーカー型カリウムチャネルで起こる直接不活性化は、ボールタンパク質によるチャネルの直接的な遮断によって生じますが、 BKチャネルで起こると考えられている二段階不活性化は、中間の結合段階を必要とします。[17]

ボールアンドチェーン不活性化のメカニズムは、ナトリウムチャネルのβ4サブユニットの細胞内分子またはペプチド領域による電圧依存性遮断のメカニズムとも異なります。[18]これらの遮断がチャネル開口後にナトリウムチャネルの不活性化に寄与すると、膜の再分極によって遮断が逆転し、再活性化電流（チャネルの遮断解除と閉鎖の間のイオンの流れ）が発生する可能性があります。[19]

不活性化防止ドメイン

カリウムチャネルはN末端に付加的な機能を有しており、これによりチャネルは不活性化されない。N型不活性化防止（NIP）ドメインはペプチドボールの効果を打ち消す。NIPドメインを含むチャネルは不活性化活性を持たないため、変異型非不活性化チャネルとして挙動する。[20]この効果は化学量論的であると考えられており、結合していない合成ボールを細胞質に徐々に導入することで、最終的に不活性化が回復する。[21]

神経発火への影響

開口と不活性化の相互作用は、チャネルを通るイオン流の速度と量を変化させることで、ニューロンの発火パターンを制御します。電位依存性イオンチャネルは、細胞膜の脱分極によって開口します。これにより、チャネルを通るイオンの流れによって電流が発生します。開口後まもなく、チャネルはペプチドボールによってブロックされます。β1サブユニットは不活性化からの回復を助け、[22] β2は不活性化を促進します。[23] βサブユニットは、ボールアンドチェーンドメインのチャネルへの侵入を阻害することで、これを阻害することもできます。これにより、イオンの継続的な流入によって引き起こされる持続電流が発生します。β3サブユニットは、特定のナトリウムチャネルにおいて持続電流を増加させることができます。[13]

疾患への影響

持続電流と再活性化電流の違いは、特定のヒトの神経疾患および神経筋疾患に関係していることが示唆されています。てんかんでは、ナトリウムチャネル遺伝子の変異が不活性化を遅らせます。これにより、チャネルがより長く開いたままになり、ニューロンの発火がより長く持続します。[24]てんかんでは、より高いレベルの持続電流が観察されます。この一定した低レベルのニューロン刺激は、この疾患に典型的な発作と関連付けられています。 [25]

不活化異常もブルガダ症候群と関連付けられています。心臓ナトリウムチャネルのαサブユニットをコードする遺伝子の変異は不活化に影響を与えます。これらの遺伝子の変異は不活化を阻害することで持続電流を増加させますが、異なる変異は不活化速度に逆の効果をもたらします。[26]

骨格筋のαサブユニットの変異もミオトニアと関連している。ミオトニアに特徴的な筋の過興奮は、主に不活性化されないナトリウムチャネルの存在によって引き起こされ、筋肉内に高レベルの持続電流が生じる。[27]

参考文献

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