
G タンパク質依存性イオンチャネルは、 G タンパク質によって直接制御される、ニューロンおよび心房筋細胞内の膜貫通イオンチャネルのファミリーです。
一般的に、Gタンパク質依存性イオンチャネルは、細胞の細胞膜に存在する特定のイオンチャネルであり、関連するタンパク質ファミリーによって直接活性化されます。イオンチャネルは、細胞内の特定のイオンが細胞膜を透過して選択的に移動することを可能にします。より具体的には、神経細胞において、イオンチャネルはイオントランスポーターとともに、細胞全体の 電気化学的勾配を維持する役割を担っています。
G タンパク質は、シグナル伝達経路を媒介する能力を持つ細胞内タンパク質のファミリーです。各 G タンパク質は、3 つのサブユニット (α、β、γ サブユニット) のヘテロ三量体です。α サブユニット (G α ) は通常、G タンパク質をG タンパク質共役受容体( GPCR ) と呼ばれる膜貫通受容体タンパク質に結合させます。この受容体タンパク質には、それぞれのリガンド(神経伝達物質やホルモンなど) に結合する大きな細胞外結合ドメインがあります。リガンドが受容体に結合すると、構造変化が起こります。G タンパク質のこの構造変化により、G α はGTP に結合できるようになります。これが G タンパク質のさらに別の構造変化につながり、βγ 複合体 (G βγ ) が G αから分離されます。[ 1 ] この時点で、G αと G βγ の両方が活性化され、シグナル伝達経路を継続できます。 Gタンパク質共役受容体には様々なクラスがあり、cAMPやホスファチジルイノシトールシグナル伝達経路など、多くの機能が知られています。[ 2 ]代謝型グルタミン酸受容体 として知られるクラスは、Gタンパク質による間接的なイオンチャネル活性化に大きな役割を果たします。これらの経路はセカンドメッセンジャーによって活性化され、細胞の応答に重要な様々なタンパク質が関与するシグナルカスケードが開始されます。
Gタンパク質依存性イオンチャネルは、特定の種類のGタンパク質共役受容体と結合している。これらのイオンチャネルは、選択性フィルターとGタンパク質結合部位を備えた膜貫通型イオンチャネルである。Gタンパク質依存性イオンチャネルと結合するGPCRは、シグナル伝達経路には関与しない。GPCRは、エフェクタータンパク質またはGタンパク質サブユニット自体を用いて、これらのイオンチャネルを直接活性化する(図参照)。ほとんどのエフェクターとは異なり、すべてのGタンパク質依存性イオンチャネルの活性が、対応するGタンパク質のGαによって媒介されるわけではない。例えば、内向き整流性K + (GIRK)チャネルの開口は、 Gβγの結合によって媒介される。[ 3 ]
Gタンパク質依存性イオンチャネルは主に中枢神経系ニューロンと心房筋細胞に存在し、細胞膜を介したカリウム(K +)、カルシウム(Ca 2+)、ナトリウム(Na +)、塩化物(Cl −)の流れに影響を与えます。[ 4 ]
哺乳類では、G タンパク質依存性内向き整流性カリウム ( GIRK ) チャネルのサブユニットとして、 GIRK1、GIRK2、GIRK3、およびGIRK4の 4 つが同定されています。GIRK サブユニットは集まって GIRK イオンチャネルを形成します。これらのイオンチャネルが活性化されると、細胞を取り囲む細胞外スペースからカリウムイオン (K + ) が細胞膜を越えて細胞質に流れ込みます。各チャネルは細胞膜を貫通するドメインで構成され、 K +イオンが流れるK +選択的細孔領域を形成します。 [ 5 ] [ 6 ] GIRK チャネルの N 末端と C 末端はどちらも細胞質内にあります。これらのドメインは G タンパク質の βγ 複合体と直接相互作用し、 K +チャネルの活性化を引き起こします。[ 7 ] Gタンパク質と相互作用するN末端およびC末端のこれらのドメインには、GIRKチャネルの適切な活性化に不可欠な特定の残基が含まれています。GIRK4では、N末端残基はHis-64、C末端残基はLeu-268です。GIRK1では、それぞれHis-57とLeu-262です。これらのドメインの変異は、βγ複合体に対するチャネルの感受性を低下させ、GIRKチャネルの活性化を低下させます。[ 3 ]
4つのGIRKサブユニットは、その孔形成ドメインと膜貫通ドメインで80~90%類似しており、その構造と配列の類似性によって説明される特徴である。GIRK2、GIRK3、およびGIRK4は、互いに62%の全体的な同一性を共有しているが、GIRK1は他のものと44%の同一性しか共有していない。[ 6 ]その類似性のため、GIRKチャネルサブユニットは容易に一緒になってヘテロ多量体(2つ以上の異なるポリペプチド鎖を持つタンパク質)を形成することができる。GIRK1、GIRK2、およびGIRK3は、中枢神経系(CNS)に豊富かつ重複して分布しているが、GIRK1とGIRK4は主に心臓に見られる。[ 4 ] GIRK1は、CNSでGIRK2と、心房でGIRK4と結合してヘテロ四量体を形成する。最終的なヘテロ四量体は、2つのGIRK1サブユニットと2つのGIRK2またはGIRK4サブユニットから構成されます。GIRK2サブユニットは脳内でホモ四量体を形成することもでき、GIRK4サブユニットは心臓内でホモ四量体を形成することができます。 [ 7 ] GIRK1サブユニットが機能的なホモ四量体を形成できることは示されていません。GIRK3サブユニットは中枢神経系に存在しますが、機能的なイオンチャネルの形成におけるその役割は未だ解明されていません。[ 4 ]
Gタンパク質依存性カリウムチャネルの1つに、心筋(具体的には洞房結節と心房)に見られる内向き整流性カリウムチャネル(IKACh)があり、 [ 8 ]心拍数の調節に寄与しています。[ 9 ]これらのチャネルはほぼ完全にGタンパク質の活性化に依存しており、他のGタンパク質依存性チャネルと比較して独特です。[ 10 ] IKAChチャネルの活性化は、迷走神経から心臓のペースメーカー細胞にアセチルコリン(ACh)が放出されることで始まります。 [ 9 ] AChはM2ムスカリン性アセチルコリン受容体に結合し、Gタンパク質と相互作用してG αサブユニットとG βγ複合体の 解離を促進します。[ 10 ] IKAChは、GIRK1とGIRK4という2つの相同なGIRKチャネルサブユニットで構成されています。 Gβγ複合体は、 GIRK1およびGIRK4サブユニットの両方との相互作用を介してIKAChチャネルに直接かつ特異的に結合します。[ 12 ]イオンチャネルが活性化されると、K +イオンが細胞外に流出し、過分極を引き起こします。[ 13 ]過分極状態では、ニューロンは活動電位を迅速に発火することができず、心拍が遅くなります。[ 14 ]
中枢神経系に存在するGタンパク質内向き整流性K +チャネルは、GIRK1サブユニットとGIRK2サブユニットからなるヘテロ四量体であり[ 4 ] 、ニューロンの静止膜電位と興奮性の維持を担っています。 [ 9 ]研究では、GIRK1サブユニットとGIRK2サブユニットが最も集中しているのは、中枢神経系のニューロンの樹状突起領域であることが示されています。[ 4 ]これらの領域は、シナプス外(シナプスの外側)とシナプス周辺(シナプスの近く)の両方に存在し、同じ領域にGABA B受容体が集中していることと相関しています。GABA B受容体がリガンドによって活性化されると、Gタンパク質が個々のαサブユニットとβγ複合体に解離し、K +チャネルを活性化できるようになります。 Gタンパク質は内向き整流性K +チャネルをGABAB受容体に結合させ、GABAシナプス後抑制の重要な部分を媒介する。[ 4 ]
さらに、GIRKは背縫線核のセロトニン作動性ニューロン群、特に神経ペプチドホルモンであるオレキシンに関連するニューロン群において役割を果たしていることが分かっています。[ 15 ]セロトニン受容体でありGPCRの一種である 5 -HT1A受容体は、Gタンパク質のαサブユニットと直接結合することが示されていますが、βγ複合体はセカンドメッセンジャーを介さずにGIRKを活性化します。その後、GIRKチャネルが活性化され、オレキシンニューロンの過分極が誘導され、ノルアドレナリンやアセチルコリンを含む多くの神経伝達物質の放出が調節されます。[ 15 ]
Gタンパク質によって直接制御されるカリウムチャネルのサブセットに加えて、Gタンパク質は神経細胞膜の特定のカルシウムイオンチャネルも直接制御できます。膜イオンチャネルとタンパク質リン酸化は、通常、エフェクタータンパク質(ホスホリパーゼC、アデニル酸シクラーゼなど)とセカンドメッセンジャー(イノシトール三リン酸、ジアシルグリセロール、サイクリックAMPなど)を介してGタンパク質共役受容体によって間接的に影響を受けますが、Gタンパク質はセカンドメッセンジャー経路を短絡させ、イオンチャネルを直接制御できます。[ 16 ]このようなセカンドメッセンジャー経路のバイパスは、哺乳類の心筋細胞と関連する筋形質膜小胞で観察されており、Gタンパク質の活性化αサブユニットが存在する場合、cAMP、ATP、またはタンパク質キナーゼCが存在しない状態でもCa 2+チャネルが生存し、機能することができます。[ 17 ]例えば、アデニル酸シクラーゼを刺激するGαは、エフェクターとしてCa2+チャネルに直接作用します。この短絡は膜を境界としており、Gタンパク質によるカルシウムチャネルの直接的なゲーティングによって、cAMPカスケードよりも迅速に効果を発揮することができます。[ 16 ]この直接ゲーティングは、心臓および骨格筋のT管における特定のCa2 +チャネルでも発見されています。[ 18 ]
ニューロン内の閾値が高く、不活性化が遅いカルシウムチャネルのいくつかは、Gタンパク質によって制御されています。[ 13 ] Gタンパク質のαサブユニットの活性化は、電位依存性Ca 2+チャネルを急速に閉じ、活動電位の発火を困難にすることが示されている。[ 1 ] Gタンパク質共役受容体によるこの電位依存性カルシウムチャネルの阻害は、ニワトリの背根神経節をはじめとする細胞株で実証されています。 [ 13 ]さらなる研究により、Ca 2+チャネルの阻害においてG αサブユニットとG βγサブユニットの両方が役割を果たしていることが示唆されています。しかし、各サブユニットの関与を明らかにするための研究では、Ca 2+チャネルが制御される特異性やメカニズムは明らかにされていません。
酸感受性イオンチャネルASIC1aは、特異的なGタンパク質依存性Ca 2+チャネルである。上流のM1ムスカリン性アセチルコリン受容体は、 G qクラスGタンパク質に結合する。このチャネルをアゴニストであるオキソトレモリンメチオジドで阻害すると、ASIC1a電流が阻害されることが示された。[ 19 ] ASIC1a電流は、酸化剤存在下では阻害され、還元剤存在下では増強されることも示されている。酸誘導性細胞内Ca 2+蓄積は、それぞれ減少と増加が認められた。[ 20 ]
パッチクランプ測定は、心臓細胞内の速いNa +電流の抑制におけるGαの直接的な役割を示唆している。 [ 21 ]他の研究では、これらのチャネルを間接的に制御する可能性のあるセカンドメッセンジャー経路の証拠が見つかっている。[ 22 ] Gタンパク質がNa +イオンチャネルを間接的または直接的に活性化するかどうかは、完全に確実に定義されていません。
上皮細胞および心臓細胞における塩素イオンチャネルの活性はGタンパク質依存性であることが分かっている。しかし、Gαサブユニットによって直接制御されることが示されている心臓チャネルは未だ同定されていない。Na +チャネル阻害と同様に、 Cl-チャネル活性化においてもセカンドメッセンジャー経路を無視することはできない。[ 23 ]
特定のCl −チャネルに関する研究では、Gタンパク質活性化の異なる役割が示されています。骨格筋において、Gタンパク質がある種のCl −チャネルを直接活性化することが示されています。[ 10 ] CHO細胞 を用いた他の研究では、大きなコンダクタンスを持つCl −チャネルがCTX感受性およびPTX感受性Gタンパク質によって異なる活性化を受けることが示されています。[ 10 ] Cl −チャネル の活性化におけるGタンパク質の役割は、現在も進行中の複雑な研究分野です。
Gタンパク質依存性イオンチャネルに関連するGタンパク質の変異は、てんかん、筋疾患、神経疾患、慢性疼痛などの疾患に関与していることが示されている。[ 4 ]
てんかん、慢性疼痛、そしてコカイン、オピオイド、カンナビノイド、エタノールなどの依存性薬物はすべて、神経細胞の興奮性と心拍数に影響を与えます。GIRKチャネルは、発作感受性、コカイン依存、そしてオピオイド、カンナビノイド、エタノールによる疼痛耐性の増加に関与していることが示されています。[ 24 ] この関連性は、GIRKチャネル調節薬がこれらの疾患の治療に有用な治療薬となる可能性を示唆しています。GIRKチャネル阻害剤は、コカイン、オピオイド、カンナビノイド、エタノールへの依存の治療に役立つ可能性があり、GIRKチャネル活性化剤は離脱症状の治療に役立つ可能性があります。[ 24 ]
アルコール中毒はGIRKチャネルの作用と直接関係していることが示されています。GIRKチャネルには、アルコール飲料に含まれるアルコールの一種であるエタノールと結合できる疎水性ポケットがあります。 [ 25 ] [ 26 ]エタノールがアゴニストとして作用すると、脳内のGIRKチャネルが長時間開きます。これによりニューロン活動が低下し、その結果としてアルコール中毒の症状が現れます。エタノールと結合できる疎水性ポケットの発見は、臨床薬理学の分野で意義深いものです。この結合部位にアゴニストとして作用する薬剤は、ニューロンの発火が正常レベルを超えるてんかんなどの神経疾患の治療薬の開発に役立つ可能性があります。[ 26 ]
研究により、GIRK1サブユニットを含むチャネルと、乳がん細胞におけるβアドレナリン受容体経路との間に、細胞の増殖制御を担う経路との関連が示唆されています。原発性ヒト乳がん組織の約40%が、GIRK1サブユニットをコードするmRNAを保有していることが分かっています。[ 27 ] 乳がん組織をアルコールで処理すると、がん細胞の増殖が促進されることが示されています。この作用機序については、現在も研究が進められています。[ 27 ]
ダウン症候群と診断された成人では心臓調節の変化がよく見られ、Gタンパク質依存性イオンチャネルに関連している可能性がある。KCNJ6遺伝子は21番染色体にあり、Gタンパク質依存性K +チャネルのGIRK2タンパク質サブユニットをコードしている。[ 28 ] ダウン症候群の人は21番染色体を3つコピーしており、その結果GIRK2サブユニットが過剰発現する。研究により、GIRK2サブユニットを過剰発現する組み換えマウスは、Gタンパク質依存性K +チャネルを活性化する薬剤に対する反応が変化していることがわかっている。これらの反応の変化は洞房結節と心房に限られており、どちらの領域にも多くのGタンパク質依存性K +チャネルが含まれている。[ 28 ] このような発見は、ダウン症候群の成人の心臓の交感神経と副交感神経の不均衡を調整するのに役立つ薬剤の開発につながる可能性がある。
心房細動(異常な心拍リズム)は活動電位持続時間の短縮と関連しており、Gタンパク質依存性K +チャネル、I K,AChの影響を受けていると考えられています。[ 29 ] I K,AChチャネルは、Gタンパク質によって活性化されると、K +が細胞膜を通過して細胞外に流れ出ます。この電流により細胞が過分極し、活動電位を終結させます。慢性心房細動では、I K,AChチャネルが常に活性化されているため、この内向き整流電流が増加することが確認されています。 [ 29 ]電流の増加により、慢性心房細動で経験される活動電位持続時間が短縮し、続いて心筋の細動を引き起こします。I K,AChチャネルの活性を阻害することは、心房細動の治療ターゲットとなる可能性があり、研究が進められています。
GIRKチャネルは、生体内でオピオイドおよびエタノール誘発性鎮痛に関与していることが実証されている。[ 30 ]これらの特定のチャネルは、オピオイド誘発性鎮痛における役割から、オピオイド鎮痛剤に対する遺伝的変異と感受性を扱う最近の研究の対象となっている。いくつかの研究では、慢性疼痛の治療にオピオイドが処方されると、GIRKチャネルが特定のGPCR、すなわちオピオイド受容体によって活性化され、それが痛覚伝達の抑制につながり、鎮痛に機能することがわかっている。[ 31 ] さらに、研究により、Gタンパク質、具体的にはGiαサブユニットがGIRKを直接活性化し、これがマウスの炎症を起こした脊髄におけるモルヒネ誘発性鎮痛の伝播に関与することが判明している。[ 32 ]慢性疼痛管理に関係する研究は、この分野で引き続き行われている。