ナトリウムチャネル

C(濃い緑)はナトリウムチャネルです。ナトリウムイオン「a」(薄緑)、カリウムイオン「b」(青)です。

ナトリウムチャネルはイオンチャネルを形成する膜タンパク質であり、細胞を通してナトリウムイオン(Na + )を伝導します。[ 1 ] [ 2 ]ナトリウムチャネルは陽イオンチャネルのスーパーファミリーに属します。

分類

ナトリウムチャネルは3つのタイプに分類されます。

タイプ同義語トリガー(チャネルを刺激する要因)
電位依存性ナトリウムチャネル
  • 「VGSC」
  • 「電圧依存」
  • 「電圧に敏感」
  • 「ナビチャンネル」
膜電位の変化(「電圧の変化」とも呼ばれます)。
リガンド依存性ナトリウムチャネルLGSC リガンドなどの物質がチャネルに結合します。
漏出ナトリウムチャネル ナルクン ゲートなし、常にオープン。

関数

興奮性細胞(ニューロン筋細胞、特定の種類のグリア細胞など)では、ナトリウムチャネルが活動電位上昇期を可能にします。これらのチャネルは、休止状態、活性状態、不活性状態の3つの異なる状態を経ます。休止状態と不活性状態ではイオンはチャネルを通過できませんが、その構造的コンフォメーションには違いがあります。

選択性

ナトリウムチャネルは、細胞膜を介したナトリウムイオンの輸送において高い選択性を有します。このナトリウムイオンに対する高い選択性は、様々な方法によって達成されます。いずれの方法も、ナトリウムイオンをより大きな分子内の特定のサイズの空洞に封入することで実現されます。[ 3 ]

電位依存性ナトリウムチャネル

構造

電圧感受性ナトリウムチャネルαサブユニットの図。G –糖鎖付加、P –リン酸化、S – イオン選択性、I – 不活性化。S4の正電荷(+)は膜貫通型電圧感知に重要である。[ 4 ]

ナトリウムチャネルは、 βサブユニットなどの補助タンパク質と会合する大きなαサブユニットから構成されています。αサブユニットはチャネルの中核を形成し、単独でも機能します。αサブユニットタンパク質が細胞に発現すると、βサブユニットや他の既知の調節タンパク質が発現していなくても、細胞膜に電位依存的にNa +を伝導する孔を形成できます。補助タンパク質がαサブユニットと会合すると、結果として生じる複合体は、電位依存性と細胞内局在を変化させます。

αサブユニットは、IからIVまでとラベル付けされた4つの繰り返しドメインから構成され、各ドメインはS1からS6までとラベル付けされた6つの膜貫通セグメントを含んでいます。高度に保存されたS4セグメントは、チャネルの電圧センサーとして機能します。このチャネルの電圧感受性は、3つおきに配置された正のアミノ酸によるものです。[ 5 ]膜貫通電圧の変化によって刺激されると、このセグメントは細胞膜の細胞外側へ移動し、チャネルがイオン透過性になります。イオンは、2つの主要領域からなる中央のポアキャビティを通って伝導されます。ポアのより外側(すなわち、より細胞外側)の部分は、4つのドメインの「Pループ」(S5とS6の間の領域)によって形成されます。この領域はポアの最も狭い部分であり、イオン選択性を担っています。ポアのより内側(すなわち、より細胞質側)の部分にはポアゲートがあり、4つのドメインのS5とS6セグメントが組み合わさって形成されます。細孔ドメインには、細孔軸に垂直に走る横方向のトンネル、あるいは窓孔も存在します。これらの窓孔は中央の空洞と膜を繋ぎ、薬物のアクセス性に重要な役割を果たすと考えられています。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

哺乳類のナトリウムチャネルでは、ドメインIIIとIVを連結する領域もチャネル機能に重要です。このDIII-IVリンカーは、チャネルが開口した後に孔ゲートを閉鎖し、不活性化させる役割を果たします。[ 9 ]

ゲーティング

電位依存性Na +チャネルには、主に3つの構造状態、すなわち閉鎖、開、不活性化状態があります。これらの状態間の遷移は、それぞれ活性化/不活性化(開と閉の間)、不活性化/再活性化(不活性化と開の間)、不活性化/閉状態不活性化からの回復(不活性化と閉の間)と呼ばれます。閉鎖状態と不活性化状態はイオン透過性がありません。

活動電位が発生する前、軸索膜は通常の静止電位(ほとんどのヒトニューロンでは約 -70 mV)にあり、Na +チャネルは不活性化状態にあり、細胞外側で活性化ゲートによってブロックされています。膜電位が約 -55 mV まで上昇すると(この場合は活動電位によって発生)、活性化ゲートが開き、正に帯電した Na +イオンがチャネルを通じてニューロンに流入し、ヒトニューロンのニューロン膜全体の電圧が +30 mV まで上昇します。膜全体の電圧は最初は負であるため、電圧がゼロ向かって上昇し、それを超える(静止時の -70 mV から最大 +30 mV まで)、脱分極すると言われています。この電圧の上昇は、活動電位の上昇期を構成します。

活動電位膜電位ターゲットポテンシャルゲートのターゲット状態ニューロンのターゲット状態
休憩中−70 mV−55 mV非アクティブ → アクティブ偏光
上昇−55 mV0 mV有効化偏光→脱偏光
上昇0 mV+30 mV有効化 → 無効化脱分極
落下+30 mV0 mV不活性化脱分極 → 再分極
落下0 mV−70 mV不活性化再分極
アンダーショット−70 mV−75 mV非アクティブ化 → 非アクティブ化再分極 → 過分極
リバウンド−75 mV−70 mV非アクティブ化超分極 → 分極

活動電位のピークにおいて、十分な量のNa + がニューロンに流入し、膜電位が十分に高くなると、Na +チャネルは不活性化ゲートを閉じることで不活性化します。不活性化ゲートは、チャネルの細胞内αサブユニットのドメインIIIとIVに繋がれた「プラグ」と考えることができます。不活性化ゲートが閉じると、チャネルを通るNa + の流れが止まり、膜電位の上昇も止まります。不活性化ゲートが閉じると、個々のNa +チャネル内に不応期が生じます。この不応期により、活動電位が反対方向に細胞体に戻る可能性が排除されます。不活性化ゲートが閉じたチャネルは不活性化された状態にあるとされます。Na +チャネルが膜電位に寄与しなくなると、ニューロンが再分極し、その後過分極するにつれて、電位は静止電位まで低下し、これが活動電位の下降期となります。したがって、各チャネルの不応期は、ニューロン間の適切な通信のために活動電位を軸索に沿って一方向に伝播させる上で非常に重要です。

膜電位が十分に低下すると、不活性化ゲートが再び開き、活性化ゲートが閉じます。このプロセスは脱不活性化と呼ばれます。活性化ゲートが閉じ、不活性化ゲートが開くと、Na +チャネルは再び不活性化状態になり、次の活動電位に参加する準備が整います。

イオンチャネルが自己不活性化しない場合、持続的(または持続的)活性状態にあると言われます。一部のイオンチャネルは本来持続的に活性です。しかし、他のチャネルに持続的な活性を引き起こす遺伝子変異は、特定のニューロンの過剰な活動を引き起こし、疾患を引き起こす可能性があります。Na +チャネルの不活性化を阻害する変異は、心血管疾患や、筋肉細胞や神経細胞の過剰興奮を引き起こす窓電流によるてんかん発作の一因となる可能性があります。

ゲートの挙動のモデリング

Na +チャネルの時間的挙動は、マルコフモデルまたはホジキン・ハクスリー型形式論によってモデル化できます。前者では、各チャネルは状態間の遷移を記述する微分方程式を用いて明確な状態を占めます。後者では、チャネルは3つの独立したゲート変数の影響を受ける集団として扱われます。これらの変数はそれぞれ1(イオンに対して完全に透過性)から0(完全に非透過性)までの値を取り、これらの変数の積が伝導チャネルの割合となります。ホジキン・ハクスリーモデルはマルコフモデルと等価であることが示されます。

他のイオンに対する不透過性

ナトリウムチャネルの細孔には、負に帯電したアミノ酸残基からなる選択性フィルターが含まれており、正のNa +イオンを引き寄せ、塩化物などの負に帯電したイオンを遮断します。陽イオンは、0.3×0.5 nm幅の細孔のより狭い部分に流れ込みます。この部分は、水分子と結合したNa +イオン1個が通過できる程度の大きさです。より大きなK +イオンはこの領域を通過できません。また、サイズの異なるイオンも、細孔の内側を覆う 負に帯電したグルタミン酸残基と十分に相互作用することができません。

多様性

電位依存性ナトリウムチャネルは通常、イオン伝導孔を形成するαサブユニットと、チャネルゲーティングの調節を含むいくつかの機能を有する1~2個のβサブユニットから構成される。[ 10 ] αサブユニットのみの発現で機能的なチャネルを産生するのに十分である。

アルファサブユニット

図 1.既知の 9 つのヒトナトリウム チャネルの進化関係の推定。

ナトリウムチャネルファミリーには9つのメンバーが知られており、膜貫通セグメントと細胞外ループ領域におけるアミノ酸配列の同一性は50%を超えています。現在、ナトリウムチャネルの標準化された命名法が使用されており、IUPHARによって維持されています。[ 11 ]

これらのチャネルのタンパク質はNa v 1.1からNa v 1.9と命名されています。遺伝子名はSCN1AからSCN5A、そしてSCN8AからSCN11Aと呼ばれています。[ 11 ]「10番目のメンバー」であるNa xは、電位依存性ではありません。全体的な構造は大まかに類似しています。その実際の機能については、βサブユニットとも関連すること以外、あまり知られていません。[ 12 ]

これらのチャネル間のアミノ酸配列の類似性に基づく進化的関係は、図1に示されている。個々のナトリウムチャネルは、配列の違いだけでなく、動態や発現プロファイルによっても区別される。これらのデータの一部を以下の表1にまとめた。

表1.電位依存性ナトリウムチャネルαサブユニットの命名法と機能
タンパク質名遺伝子発現プロファイル関連するヒトチャネル病
v 1.1SCN1A中枢ニューロン、[末梢ニューロン]および心筋細胞熱性てんかんGEFS+ドラベ症候群(乳児重症ミクロニーてんかん、SMEIとも呼ばれる)、境界性SMEI(SMEB)、ウェスト症候群(乳児けいれんとも呼ばれる)、ドーズ症候群(ミオクロニー無動てんかんとも呼ばれる)、全般性強直間代発作を伴う難治性小児てんかん(ICEGTC)、パナイオトプロス症候群、家族性片麻痺性片頭痛(FHM)、家族性自閉症、ラスムセン脳炎、レノックス・ガストー症候群[ 13 ]
v 1.2SCN2A中枢ニューロン、末梢ニューロン遺伝性の熱性けいれんてんかん自閉症スペクトラム障害
v 1.3SCN3A中枢ニューロン、末梢ニューロン、心筋細胞てんかん、痛み、脳奇形[ 14 ] [ 15 ]
v 1.4SCN4A骨格筋高カリウム血症性周期性四肢麻痺先天性パラミオトニーカリウム誘発性ミオトニー
Na v 1.5SCN5A心筋細胞、無神経骨格筋、中枢ニューロン、消化管平滑筋細胞、カハール間質細胞心臓:QT延長症候群3型、ブルガダ症候群、進行心伝導障害、家族性心房細動および特発性心室細動[ 16 ]

消化器:過敏性腸症候群; [ 17 ]

ナベ1.6SCN8A中枢ニューロン、後根神経節末梢ニューロン、心臓、グリア細胞てんかん[ 18 ]運動失調ジストニア振戦[ 19 ]
ナベ1.7SCN9A後根神経節、交感神経、シュワン細胞神経内分泌細胞紅斑性肢痛症PEPDチャネル病関連痛覚無反応症[ 14 ] 、および最近発見された線維筋痛症の障害型(rs6754031多型)[ 20 ]
ナベ1.8SCN10A背根神経節痛み、[ 14 ]神経精神疾患
v 1.9SCN11A背根神経節痛み[ 14 ]
xSCN7A心臓、子宮、骨格筋、アストロサイト、後根神経節細胞不明

ベータサブユニット

ナトリウムチャネルβサブユニットは、細胞外N末端と細胞質C末端を持つ1型膜貫通糖タンパク質である。免疫グロブリンスーパーファミリーのメンバーとして、βサブユニットは細胞外ドメインにプロトタイプのVセットIgループを含む。カルシウムチャネルやカリウムチャネルの対応するものとは相同性がない。[ 21 ]その代わりに、神経細胞接着分子(CAM)およびL1 CAMの大規模なファミリーと相同性がある。発見順にSCN1B、SCN2B、SCN3B、SCN4Bと命名された4つの異なるβが存在する(表2)。β1とβ3はαサブユニットと非共有結合的に相互作用するのに対し、β2とβ4はジスルフィド結合を介してαと結合する。[ 22 ]ナトリウムチャネルは、β毒素と相互作用すると、閾値下膜電位で開いたままになる可能性が高く、その結果、即時の痛みの感覚が誘発されます。[ 23 ]

細胞接着分子としてのβサブユニットの役割

ナトリウムチャネルのβサブユニットは、チャネルのゲーティングを制御するだけでなく、チャネルの発現も調整し、アンキリンスペクトリンを介して細胞内細胞骨格に結合します。[ 10 ] [ 24 ] [ 25 ] 電位依存性ナトリウムチャネルは、FHFタンパク質(線維芽細胞増殖因子相同因子)、カルモジュリン、細胞骨格または制御性キナーゼなど、さまざまな他のタンパク質とも会合し[ 26 ] [ 10 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]これらはナトリウムチャネルと複合体を形成し、その発現や機能に影響を及ぼします。いくつかのβサブユニットは、1つまたは複数の細胞外マトリックス(ECM)分子と相互作用します。F3またはF11としても知られるコンタクチンは、共免疫沈降によって示されているようにβ1と会合します。[ 30 ]テネイシンCとテネイシンRのフィブロネクチン様(FN様)リピートは、β2をはじく上皮成長因子様(EGF様)リピートとは対照的に、β2と結合する。[ 31 ]ディスインテグリンおよびメタロプロテアーゼ(ADAM)10は、β2のエクトドメインを切断し、神経突起の伸展を誘導する可能性がある。[ 32 ] β3とβ1は、発達中のニューロンのランヴィエ絞輪でニューロファシンに結合する。[ 33 ]

表2.電位依存性ナトリウムチャネルβサブユニットの命名法と機能
タンパク質名遺伝子リンク組み立て発現プロファイル関連するヒトチャネル病
Na v β1SCN1BNa v 1.1 から Na v 1.7中枢ニューロン、末梢ニューロン、骨格筋、心臓、グリアてんかん (GEFS+)、ブルガダ症候群[ 34 ]
Na v β2SCN2BNa v 1.1、Na v 1.2、Na v 1.5 ~ Na v 1.7中枢ニューロン、末梢ニューロン、心臓、グリアブルガダ症候群[ 34 ]
Na v β3SCN3BNa v 1.1 ~ Na v 1.3、Na v 1.5中枢ニューロン、副腎、腎臓、末梢ニューロンブルガダ症候群[ 34 ]
Na v β4SCN4BNa v 1.1、Na v 1.2、Na v 1.5心臓、骨格筋、中枢神経および末梢神経不明

リガンド依存性ナトリウムチャネル

リガンド依存性ナトリウムチャネルは、膜電位の変化ではなく、 リガンドの結合によって活性化されます。

これらは、例えば神経筋接合部においてニコチン受容体として存在し、そのリガンドはアセチルコリン分子です。このタイプのチャネルのほとんどは、ナトリウムだけでなく、ある程度のカリウムも透過します。

活動電位における役割

電位依存性ナトリウムチャネルは、活動電位において重要な役割を果たします。細胞膜電位の変化時に十分な数のチャネルが開くと、少量ながらも有意な量のNa +イオンが電気化学的勾配に沿って細胞内に移動し、細胞の脱分極が促進されます。したがって、細胞膜のある領域に局在するNa +チャネルの数が多いほど、活動電位の伝播速度が速くなり、その領域の興奮性が高まります。これは正のフィードバックループの一例です。これらのチャネルが閉鎖不活性状態をとる能力は不応期を引き起こし、軸索を伝わる活動電位の伝播に不可欠です。

Na +チャネルはK +チャネルよりも速く開閉し、活動電位の開始時に正電荷 (Na + )の流入と終了時に 流出 (K + ) を生み出します。

一方、リガンド依存性ナトリウムチャネルは、リガンドの結合に応答して膜電位の変化をまず引き起こします。さらに、リーク型ナトリウムチャネルは、細胞の静止電位(ひいては興奮性)を調節することで、活動電位の調節にも寄与します。[ 35 ]

薬理学的調節

ブロッカー

アクティベーター

以下の自然に生成される物質は、ナトリウム チャネルを持続的に活性化 (開く) します。

ゲーティング修飾子

以下の毒素はナトリウムチャネルのゲーティングを変更します。

ナトリウム漏出チャネル(NALCN)

ナトリウムリークチャネルは、電圧やリガンドゲーティングを示さない。代わりに、常に開いているか、または微量のバックグラウンド電流を「漏出」することで、ニューロンの静止膜電位を調節する。[ 35 ]ほとんどの動物では、単一の遺伝子がNALCN(非選択的ナトリウムリークチャネル)タンパク質をコードする。[ 38 ]

構造と機能の違い

他のナトリウムチャネルと同じ基本構造を辿っているにもかかわらず、NALCNは電圧変化に敏感ではない。NALCNの電圧感受性S4膜貫通ドメインには正電荷を持つアミノ酸が少なく(電圧依存性チャネルの21個に対して13個)、これが電圧非感受性の理由であると考えられる。[ 35 ] NALCNはNa +イオンに対する選択性もはるかに低く、Ca 2+およびK +イオンは透過性である。NALCNの細孔フィルタードメインにあるEEKEアミノ酸モチーフは、電圧依存性カルシウムチャネルのEEEEモチーフと電圧依存性ナトリウムチャネルのDEKAモチーフの両方に類似しており、これが選択性の欠如の理由であると考えられる。[ 38 ]

NALCN 機能に影響を及ぼす調節経路と化学物質。

NALCNは、テトロドトキシンを含む多くの一般的なナトリウムチャネル遮断薬によって阻害されません。NALCNは、Gd 3+ベラパミルの両方によって非特異的に阻害されます。[ 39 ]サブスタンスPニューロテンシンは両方とも、それぞれのGPCRを介してSrcファミリーキナーゼを活性化します(結合したGタンパク質とは無関係)。これは、UNC80活性化を介してNALCNの透過性を高めます。[ 40 ]アセチルコリンもM 3ムスカリン性アセチルコリン受容体を介してNALCNの活性を高めます。[ 41 ]細胞外Ca 2+レベルの上昇は、UNC80を阻害するCaSRを活性化することにより、NALCNの透過性を低下させます。[ 42 ]

タンパク質複合体

NALCNはUNC79、UNC80、FAM155Aというタンパク質と複合体を形成する。[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] UNC79はNALCNの膜安定性とUNC80との結合に関係していると思われる。 [ 44 ] UNC80は複数の経路を介してNALCNの化学的調節を媒介する。[ 35 ] [ 42 ] [ 41 ] [ 40 ] FAM155Aは小胞体でのタンパク質折り畳み、軸索へのシャペロン輸送を助け、膜安定性に寄与する。[ 45 ]

生物学的機能

ニューロンの静止膜電位は通常-60mVから-80mVで、主に-90mVのK +電位によって駆動されます。K +電位からの脱分極は、主に少量のNa +リーク電流によって起こります。この電流の約70%はNALCNを介したものです。[ 39 ] NALCNの透過性が高まると静止膜電位は低下し、活動電位のトリガー(-55mV)に近づき、ニューロンの興奮性は高まります。

病理学における役割

NALCNの変異は、マウスの呼吸リズムに深刻な乱れを引き起こします[ 39 ]。また、ハエの概日運動の変化を引き起こします[ 46 ] 。NALCNの変異は、複数の重度の発達障害[ 47 ]や頸部ジストニアにも関連付けられています[ 48 ] 。統合失調症や双極性障害もNALCNの変異に関連しています[ 49 ] 。

pH調節

血液および組織のpH変化は、運動、心虚血、虚血性脳卒中、コカイン摂取といった生理学的および病態生理学的状態を伴う。これらの状態は、ナトリウムチャネル変異を有する患者において電気疾患の症状を誘発することが知られている。プロトンはナトリウムチャネルのゲーティングに多様な変化を引き起こし、一般的に一過性ナトリウム電流の振幅の減少と、持続電流を通過させる非不活性化チャネルの割合の増加につながる。これらの影響は、神経細胞、骨格筋、心臓組織における疾患を引き起こす変異体にも共通している。また、ナトリウムチャネルのプロトン感受性を高める変異体では、これらの影響がさらに強まる可能性があり、電気疾患の急性症状の誘発にプロトンが関与していることを示唆している。[ 50 ]

プロトンブロックの分子メカニズム

心筋細胞の単一チャネルデータは、プロトンが個々のナトリウムチャネルの伝導性を低下させることを示している。[ 51 ]ナトリウムチャネル選択性フィルターは、4つの機能ドメインの4つの細孔ループそれぞれに1つの残基から構成される。これらの4つの残基はDEKAモチーフとして知られている。[ 52 ]ナトリウムチャネルを通るナトリウムの透過速度は、外側の荷電環を構成する4つのカルボキシル残基(EEDDモチーフ)によって決定される。[ 52 ]これらのカルボキシルのプロトン化は、ナトリウムチャネルにおけるプロトン遮断の主な要因の1つであるが、pH感受性に寄与する他の残基も存在する。[ 53 ]そのような残基の1つが心臓ナトリウムチャネルのC373であり、これまで研究されてきたナトリウムチャネルの中で最もpH感受性が高いナトリウムチャネルとなっている。[ 54 ]

ナトリウムチャネルゲーティングのpH調節

心臓ナトリウムチャネルはpHに最も敏感なナトリウムチャネルであるため、知られていることのほとんどはこのチャネルに基づいています。細胞外pHの低下は、活性化と不活性化の電圧依存性をより正の電位に脱分極することが示されている。これは、運動など血液pHを低下させる活動中、チャネルが活性化および不活性化される確率がより高いことを示し、より正の膜電位になり、潜在的な悪影響につながる可能性がある。[ 55 ]骨格筋線維に発現するナトリウムチャネルは、比較的pHに鈍感なチャネルへと進化した。これは、運動中に血液pHレベルが大きく変化しやすいため、骨格筋における潜在的な過剰興奮性または興奮不足に対する保護機構であると示唆されている。[ 56 ] [ 57 ]最近、骨格筋ナトリウムチャネルに周期性麻痺とミオトニアを引き起こす混合症候群の変異が、このチャネルにpH感受性を付与し、このチャネルのゲーティングを心臓サブタイプのものと類似させることが示されました。[ 58 ]

これまで研究されてきたサブタイプ間のpH調節

プロトン化の影響はNa v 1.1~Na v 1.5において特徴付けられている。これらのチャネルのうち、Na v 1.1~Na v 1.3およびNa v 1.5は活性化の脱分極的な電圧依存性を示すが、Na v 1.4の活性化はアシドーシスに対して鈍感である。定常状態の急速な不活性化の電圧依存性はNa v 1.1~Na v 1.4では変化しないが、Na v 1.5の定常状態の急速な不活性化は脱分極する。したがって、これまで研究されてきたナトリウムチャネルの中で、Na v 1.4は最もプロトン感受性が低く、Na v 1.5は最もプロトン感受性が高いサブタイプである。[ 59 ]

参照

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