イノシトール1,4,5-三リン酸

1D-myo-inositol 1,4,5-trisphosphate
The inositol trisphosphate trianion
IUPAC name [(1R,2S,3R,4R,5S,6R)-2,3,5-trihydroxy-4,6-diphosphonooxycyclohexyl] dihydrogen phosphate
別称 IP3; Triphosphoinositol; Inositol 1,4,5-trisphosphate
Identifiers
CAS Registry Number	85166-31-0
ChemSpider	388562
InChI InChI=1S/C6H15O15P3/c7-1-2(8)5(20-23(13,14)15)6(21-24(16,17)18)3(9)4(1)19-22(10,11)12/h1-9H,(H2,10,11,12)(H2,13,14,15)(H2,16,17,18)/t1-,2+,3+,4-,5-,6-/m1/s1 Key: MMWCIQZXVOZEGG-XJTPDSDZSA-N InChI=1/C6H15O15P3/c7-1-2(8)5(20-23(13,14)15)6(21-24(16,17)18)3(9)4(1)19-22(10,11)12/h1-9H,(H2,10,11,12)(H2,13,14,15)(H2,16,17,18)/t1-,2+,3+,4-,5-,6-/m1/s1 Key: MMWCIQZXVOZEGG-XJTPDSDZBF
IUPHAR/BPS	4222
Jmol-3D images	Image
PubChem	439456
SMILES [C@H]1([C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H]([C@@H]1OP(=O)(O)O)O)OP(=O)(O)O)OP(=O)(O)O)O)O
Properties
Molar mass	420.096 g/mol
特記なき場合、データは常温（25 °C）・常圧（100 kPa）におけるものである。

古市 貞一
東京理科大学 理工学部 応用生物科学科
DOI：10.14931/bsd.9981　原稿受付日：2022年3月9日　原稿完成日：2022年3月17日
担当編集委員：柚崎 通介（慶應義塾大学 医学部生理学）

英：inositol 1,4,5-trisphosphate
略称：Ins(1,4,5)P₃、1,4,5-IP₃、InsP₃、IP₃
同義語：イノシトール3リン酸

　イノシトール1,4,5-三リン酸(IP₃)は、細胞内二次メッセンジャーとしてはたらく代謝化合物である。IP₃は、細胞外からの一次メッセンジャーなどの刺激によってイノシトールリン脂質代謝酵素のホスホリパーゼCが活性化されることで産生される。活性化したPLCは、細胞膜の微量成分であるイノシトールリン脂質の一種のホスファチジルイノシトール4,5-二リン酸の加水分解によってIP₃を脂質成分から切り離して細胞質へ遊離する。シグナルとしてのIP₃の標的は、IP₃受容体である。IP₃受容体は、IP₃リガンドによって開口する細胞内Ca²⁺放出チャネルで、細胞内Ca²⁺貯蔵部位（細胞内カルシウムストア、あるいはカルシウムプール）から細胞質へCa²⁺放出する。IP₃受容体の役割は、シグナルとしては単一の標的しかもたないIP₃を受容し、次いで、多くの標的をもつ二次メッセンジャーのCa²⁺へとシグナルを変換することにある。このようにIP₃とCa²⁺の2種類の二次メッセンジャーが、IP₃受容体を介してシグナルを受け継ぐIP₃誘導Ca²⁺放出は、細胞内で複雑なCa²⁺動態を生み出すことで下流の多種多様なCa²⁺標的分子の活性を正や負に調節し、発生・代謝・分泌・筋収縮・免疫・神経などの多彩な生命現象に関わる。

イノシトール1,4,5-三リン酸とは

　イノシトール1,4,5-三リン酸（Ins(1,4,5)P₃、InsP₃/IP₃の中でイノシトール環1，4，5位にリン酸基が結合した種類を定義した名称。化学構造を参照）がCa²⁺動員に関わる二次メッセンジャーとして機能することは、1980年代に明らかになった。

　まず、細胞刺激によって、

1. ホスファチジルイノシトール4,5-二リン酸（phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate, PI(4,5)P₂あるいはPIP₂）の加水分解によるIns(1,4,5)P₃産生
2. 細胞内ストアからのCa²⁺動員

が起きることがそれぞれ明らかになった。

　この2つの事象1.と2.がリンクしたのは、膜透過処理をした膵腺房細胞において、µM濃度のIns(1,4,5)P₃で処理するとミトコンドリアではないATP依存的な細胞内ストアからCa²⁺放出が特異的に誘導され（Ins(1,2)P₂、Ins(1)P、myo-inositolでは誘導されない）、そのCa²⁺ストアがカルバコールでアセチルコリン受容体刺激をした際に起きるCa²⁺放出と同じものであることが示されたことによる 。

　次に、膜透過処理した肝細胞を用いた研究において、αアドレナリン受容体刺激でPIP₂の加水分解が起きること、その結果遊離したIns(1,4,5)P₃がATP依存的Ca²⁺ストアからCa²⁺放出を誘導すること、そして小胞体がそのCa²⁺ストアとしてはたらくことが示された 。あわせて、多くの細胞や組織が、様々な細胞外刺激によってPIP₂を加水分解しイノシトール1,4,5-三リン酸（Ins(1,4,5)P₃）を産生するはたらきをもつことが明らかにされていった 。

　さらに、Ins(1,4,5)P₃に特異的に結合する膜タンパク質が小脳から精製され 、そのタンパク質をコードする遺伝子がクローニングされた 。発現させた組換えタンパク質が、確かにIns(1,4,5)P₃に特異的な結合活性（Ins(1,4,5)P₃ > Ins(2,4,5)P₃ ≥ Ins(1,3,4,5)P₄ > Ins(1,2)P₂, InsP） と、IP₃誘導Ca²⁺放出（IP₃-induced Ca²⁺ release, IICR）活性（Ins(1,4,5)P₃ > Ins(2,4,5)P₃ > Ins(1,3,4,5)P₄）を有したことから 、このタンパク質がIns(1,4,5)P₃の受容体としてはたらくのと同時にIICRチャネルの活性をもつという分子実体（Ins(1,4,5)P₃受容体/Ca²⁺放出チャネル）が明らかになった。

　これにより、細胞刺激で産生される二次メッセンジャーIns(1,4,5)P₃/IP₃が細胞内ストアからCa²⁺放出を誘導する分子機構の理解が進展していった。哺乳類のIns(1,4,5)P₃/IP₃受容体には、Ins(1,4,5)P₃結合親和性や発現組織分布に違いのあるIP₃R1/IP₃R2/IP₃R3の3種類が存在することも明らかになった（遺伝子名はそれぞれITPR1/ITPR2/ITPR3） 。

化学構造

図1. D-myo-イノシトール1,4,5-三リン酸の化学構造
（a）はハース投影式（Haworth projection）による環状構造、（b）はin vivoで熱力学的に安定と考えられるイス型の構造で示している 。（c）はIUBNCの提案で、Agranoffの亀の頭・手・足・尾の配置を例えとして、6個の炭素の位置を、2位が亀の頭で、1位が右手となるように、反時計回りに1～6位の順で番号を付ける 。
Ins(1,4,5)P₃では、イノシトール環の1，4，5位の炭素にリン酸基（図では○Pで示す位置に-OPO₃^2-）が結合し、2，3，6位の炭素にヒドロキシ基（-OH）が結合している。PIP₂では白抜き矢印（⇒）で示すイノシトール環1位のリン酸基とジアシルグリセロールのsn-3位のヒドロキシ基がエステル結合しており、この結合をPLCが加水分解することよってIP₃が細胞膜から細胞質へと遊離する。

　イノシトール1,4,5-三リン酸（以下IP₃あるいはInsP₃）はイノシトール環（inositol ring）に3個のリン酸基が結合した代謝化合物である。イノシトール環がもつ6個の炭素（1～6位）のうち、特別に指定されなければ1、4、5位の3個の炭素にリン酸基が結合したイノシトール1,4,5-三リン酸を指す。InsP₃/IP₃間で他の炭素の位置にリン酸基が結合するものと区別する場合には、1,4,5-IP₃（あるいはIns(1,4,5)P₃）や、1,3,4-IP₃（あるいはIns(1,3,4)P₃）などとリン酸基が付く炭素の位置を明記する必要がある。

産生

図2. 細胞外刺激で誘導されるPIP₂の加水分解と二次メッセンジャーIP₃の産生経路

　ホスホリパーゼC（phospholipase C、略称：PLC）によるPIP₂の加水分解は、ホスファチジルイノシトール（phosphatidylinositol、PtdInsあるいはPI）／ホスホイノシタイド（phosphoinositide）の代謝回転（turnover）の一種である。これによって、細胞質性（可溶性）のIP₃と膜結合性のジアシルグリセロール（sn-1,2-diacylglycerol、DAGあるいはDG）の2種類の二次メッセンジャーが産生される。膜から遊離するIP₃は細胞内Ca²⁺シグナル伝達カスケード の、膜成分のDAGはプロテインキナーゼC（protein kinase C、略称：PKC）リン酸化シグナル伝達カスケード の、それぞれ引き金となる。

　IP₃シグナル産生に関わるPIP₂の加水分解は、細胞外からの一次メッセンジャーによる刺激によって、異なるPLCタイプが活性化される経路がある （図2）。

PLC-βタイプによるIP₃産生経路

　PLC-βタイプの活性化経路 （図2➊～➍）：古典的神経伝達物質や神経ペプチドなどの一次メッセンジャーが、ヘテロ三量体型Gタンパク質（heterotrimeric G protein; α/β/γサブユニットの複合体）のGα_q/11タイプに共役したGタンパク質共役型受容体（G protein-coupled receptor、略称：GPCR；あるいは代謝型受容体〔metabotropic receptor〕とも呼ぶ）（➊）に作用することで、GTP結合型Gαサブユニット（➋）がβγサブユニットと解離し、次いでエフェクター酵素であるPLC-βタイプ（➌）が解離したGTP結合型Gαサブユニット（GTP-Gα）と結合することで活性化され、PIP₂の加水分解が起きる（➍）。

PLC-γタイプによるIP₃産生経路

　PLC-γタイプの活性化経路 （図2①～④）：神経栄養因子、成長因子、サイトカインなどの一次メッセンジャーが、受容体型チロシンキナーゼ（receptor tyrosine kinase、RTK）（①）に作用することで、細胞内ドメインのチロシンキナーゼが活性化されて自己チロシンリン酸化が起き（②）、次いでエフェクター酵素であるPLC-γタイプがRTKのリン酸化チロシン（Y-P）に結合することで（PLC-γはY-Pと特異的に結合するSH2ドメインをもつ）、PLC-γもチロシンリン酸化を受けて活性化され（③）、PIP₂の加水分解が起きる（④）。

　PIP₂の加水分解から先の経路はPLC-βとPLC-γで共通しており（図2の⓹～⓽）、2つの二次メッセンジャーIP₃（⓹）とDAG（⓺）が産生される。遊離するIP₃はCa²⁺ストア膜上のIP₃R（⓻）を活性化してストア内腔のCa²⁺を細胞質へ放出させて細胞内Ca²⁺濃度（[Ca²⁺]i）（⓼）を上昇させる。一方、細胞膜のDAGはPKC（⓽）を活性化する。

その他のPLCタイプによるIP₃産生経路

　この他に、PLC-β2/3はGタンパク質のβγサブユニットとの結合によって（PLC-β1も弱く結合） 、PLC-δタイプは細胞内Ca²⁺濃度（[Ca²⁺]i）の増加によって 、PLC-εタイプは低分子量GTPaseのGTP結合型Ras/Rap やGTP結合型Rho によって、それぞれ活性化される。PLC-ηの活性化機構は未定であるが、Ca²⁺感受性が高く、Gβγサブユニットとの結合によって活性化すると推測されている 。PLC-ζは精子に含まれ、Ca²⁺感受性が高く、受精卵内でのCa²⁺振動に関与する 。

IP₃とイノシトールリン酸の代謝

図3. ホスファチジルイノシトールとイノシトールポリリン酸/ピロリン酸の代謝

　IP₃シグナルの細胞内における時空間的特性には、一次メッセンジャーが作用する細胞膜近傍におけるPI代謝と、その後のイノシトールポリリン酸（inositol polyphosphate）代謝活性が主に寄与する（図3）。産生後のIP₃は、主にイノシトールポリリン酸5-ホスファターゼ（inositol polyphosphate 5-phosphatase、INPP5）によるイノシトール環5位の脱リン酸化によってIP₂（イノシトール1,4-二リン酸：Ins(1,4)P₂）か、IP₃ 3-キナーゼ（inositol 1,4,5-trisphospate 3-kinase、IP₃K）やイノシトールポリリン酸マルチキナーゼ（inositol polyphosphate multikinase、IPMK）による3位のリン酸化によってIP₄（イノシトール1,3,4,5-四リン酸, Ins(1,3,4,5)P₄）に代謝される。

　IP₂は、イノシトールモノホスファターゼ（inositol monophosphatase、IMPA）やイノシトールポリリン酸1-ホスファターゼ（inositol polyphosphate 1-phosphatase、INNP1）によってさらに脱リン酸化を受けて、myo-イノシトールまで代謝される。myo-イノシトールは、ホスファチジルイノシトール合成酵素（phosphatidylinositol synthetase、PIS）によって、小胞体膜で合成される中間体リン脂質のCDP-ジアシルグリセロール（CDP-DAG）と結合することで、再びPI合成のサイクルへ組み込まれる。気分安定薬としての薬理作用をもつリチウム（lithium、Li） は、IMPA1やINNP1を阻害し脱リン酸化を抑制するため 、myo-イノシトールの供給が抑制される。結果としてPI合成が低下し、IP₃の産生とその下流のIICRへも影響が及ぶと考えられる。

　IP₄は、INPP5への親和性が高く競合阻害によってIP₃の脱リン化を抑制する効果や、IP₃受容体へのアゴニスト効果などが知られている。また、IP₄は、IMPAによるイノシトール環6位のリン酸化でIP₅（イノシトール1,3,4,5,6-五リン酸inositol pentakisphosphate、Ins(1,3,4,5,6)P₅）へ、次いでIP₅がイノシトール五リン酸2-キナーゼ（inositol 1,3,4,5,6-pentakisphosphate 2-kinase、IP₅K）による2位のリン酸化でIP₆（イノシトール六リン酸inositol hexakisphosphate、InsP₆）へと代謝が進む。IP₅とIP₆は、さらに高エネルギーリン酸結合をもつイノシトールピロリン酸（inositol pyrophosphate、PP-InsP）を合成する基質となる（5-PP-IP₄、5-PP-IP₅や1-PP-IP₅など）。PP-InsPは、クロマチンリモデリングや遺伝子発現、膜輸送、インスリン分泌、成長因子・サイトカイン経路、アポトーシス、ドーパミン放出などに関連する事例が報告されている 。

IP₃/Ca²⁺シグナル伝達

IP₃のシグナル特性

　IP₃のシグナルとしての直接的な作用点は（基質となる代謝酵素などを除けば）IP₃受容体（以下IP₃Rと略す）である（図2） 。すなわち、IP₃の第一のシグナル特性は、下流の標的分子がただ一つしかない点である。通常、複数の標的分子をもつ他の二次メッセンジャー（cAMP、cGMP、DAG、Ca²⁺、NOなど）とは際立ったシグナル特性である。

　IICRによって、IP₃が媒介する情報がCa²⁺へと受け継がれる（図2）。すなわち、IP₃の第二のシグナル特性は、唯一の標的分子（IP₃R）しかないIP₃が、二次メッセンジャーのCa²⁺へ情報を橋渡しすることによって、多種多様な標的分子の活性を正や負に調節する多機能性と、カルモジュリン（calmodulin, CaM）と結合（1つのCaMに4個のCa²⁺が結合）することでCa²⁺/CaM依存性の新たな標的分子に作用することが可能となる融通性を有する細胞内Ca²⁺シグナル伝達の引き金となることである 。IP₃Rは、一つの標的しか持たないIP₃から、最もユニバーサルなシグナル（universal signal）と称されるCa²⁺へのシグナル変換装置としてはたらく 。

IP₃感受性細胞内Ca²⁺ストア

　IP₃感受性の細胞内Ca²⁺ストアとしてはたらくのは、主に滑面小胞体（smooth endoplasmic reticulum、sER）である 。sER膜上にある筋小胞体Ca²⁺ポンプ（sarcoplasmic reticulum Ca²⁺ ATPase、SERCA）によって、細胞質内Ca²⁺が能動輸送によってsER内腔へ取り込まれる（図2）（内腔Ca²⁺濃度は数100 -µM～数mM）。

　IP₃RはsER膜に局在するIP₃リガンド開口性の細胞内Ca²⁺放出チャネル（IP₃-gated intracellular Ca²⁺ release channel）としてはたらく 。4量体の巨大な膜タンパク質複合体を形成し、細胞質側に伸びるN末端側に4つのIP₃リガンド結合ドメインをもち 、IP₃結合による構造変化によってC末端側の膜貫通ドメインにあるチャネルポアが開口し 、sER内腔のCa²⁺を細胞質へと放出する。リガンド結合ドメインにIP₃と競合的に結合するIRBITタンパク質が知られており（リン酸化アミノ酸がIP₃結合配列と相互作用する）、IP₃Rチャネル活性を阻害する 。

　IICRによってストア内のCa²⁺（約400 µM ）が枯渇すると、容量依存的Ca²⁺流入（capacitive Ca²⁺ entry, CCE）が誘導され、この際Ca²⁺放出活性化Ca²⁺電流 (Ca²⁺ release activated Ca²⁺ current; I_CRAC) が発生する 。CCEは、IICR後のCa²⁺シグナルの持続性には必須であり、特に電位依存性Ca²⁺チャネルなどをもたない非興奮性細胞においては、ストアのCa²⁺容量の減少分を補充する重要な現象である。CCEにはたらくチャネルはストア作動性チャネル（store-operated channel, SOC）やI_CRACチャネルと呼ばれた 。

　その後、ストア内Ca²⁺レベルをCa²⁺センサータンパク質のSTIM（STIM1/STIM2の2種類）が検知し、その情報をタンパク質間相互作用によって受容する細胞膜チャネルORAI（ORAI1/ORAI2/ORAI3の3種類）がCa²⁺流入を引き起こすCCEの分子機構が明らかになった 。

IP₃誘導Ca²⁺放出（IICR）の特徴と細胞内シグナル伝達

IICRとCICR

　IP₃Rを介するIICRは、興奮性と非興奮性を問わず、広範な細胞タイプにおける多彩な生命現象や神経疾患などではたらく細胞内Ca²⁺シグナル伝達に関与している 。

　もう一つの細胞内Ca²⁺放出現象には、リアノジン受容体（ryanodine receptor、略語：RyR；RyR1/RyR2/RyR3の3種類）によるCa²⁺誘導Ca²⁺放出（Ca²⁺-induced Ca²⁺ release、略語：CICR）がある 。RyRによるCICRは、Ca²⁺シグナルの増幅にはたらき、IICRと共同して細胞内Ca²⁺動態に重要な役割をもつ 。IP₃の他に細胞内ストアからのCa²⁺動員のメッセンジャーとしてはたらく代謝化合物には、cADPリボース（cyclic adenosine diphosphate ribose, cADPR）とニコチン酸アデニンジヌクレオチドリン酸（nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate, NAADP）がある。いずれも補助分子を介してCa²⁺動員を媒介すると考えられている 。cADPRはRyRによるCICRを媒介するが、NAADPは2孔型チャネル（two-pore channel, TPC）による酸性オルガネラ（エンドソームやリソソーム）（IICR/CICRとは異なるCa²⁺ストア）からのCa²⁺放出を媒介する 。

シグナルとしての細胞内濃度

　IP₃シグナルが標的のIP₃Rに作用する有効濃度は、細胞・組織やIP₃Rのタイプによるが、例えば発現させたIP₃結合ドメインのIP₃結合親和性（Kd）が10～100 nMオーダー であることや、精製したIP₃R1タンパク質や発現させたIP₃R1タンパク質の単一チャネル記録での開口確率（open probability）から推定されるIP₃感受性（kInsP₃）が、それぞれ220 nM と100～400 nM との報告から、おおよそsub-micromolarのIP₃濃度が十分にIICRを引き起こすシグナル濃度に相当すると考えられる。但し、アフリカツメガエル卵母細胞では、数pMのIP₃注入で要素的なIICRが起きるとの報告もあり 、in vitroとin vivoのアッセイ方法、あるいは細胞によって違いがある可能性はある。

細胞内におけるシグナルとしての寿命と局所性

　IP₃を引き継ぐCa²⁺は、短寿命で、細胞局所的な（ローカルな）メッセンジャー（short-lived local messenger）である。2族元素でアルカリ土類金属のカルシウムは自然界では豊富に化合物として存在し（地殻中で5番目に多い）、ヒトの体内でも最も多いミネラルである（約99%が骨や歯に存在）。しかし、遊離イオン状態で高濃度のCa²⁺は細胞毒性が強いため、通常、細胞では厳密なCa²⁺ホメオスタシス機構によって、細胞内Ca²⁺濃度（[Ca²⁺]i）は極めて低い（能動的な細胞外へのCa²⁺排出や細胞内ストアへのCa²⁺封じ込め、ミトコンドリアへのCa²⁺取り込み、結合タンパク質による緩衝作用［結合Ca²⁺（bound Ca²⁺）の状態］などが[Ca²⁺]iを低く抑えている）。この機構によって、体液中などの細胞外Ca²⁺濃度（[Ca²⁺]o）が1～数mMに対して、細胞内の遊離Ca²⁺（free Ca²⁺）濃度[Ca²⁺]iは50～100 nM と、約1万倍までに低減される。この堅牢な機構下で、Ca²⁺が定常レベルを超えて上昇した濃度でシグナルとしてはたらき、[Ca²⁺]iは発生部位をピークとして、周辺部へ段階的な濃度勾配を示すCa²⁺微小領域/マイクロドメイン（Ca²⁺ microdomain）を形成しやすい 。

　一方、IP₃については、産生されて代謝によって低減するまでの間、シグナルとして機能する。アフリカツメガエル卵母細胞を用いた先駆的な研究によって、IP₃は通常サイズの細胞では産生される細胞膜付近から細胞内のほぼ全域まで、シグナルとしての濃度レベルを保って拡散することができる長寿命で広域的な（グルーバルな）メッセンジャー（long-lived global messenger）と提案された。脂質メディエーターであるリゾホスファチジン酸（lysophosphatidic acid, LPA）がGPCRを刺激して数分以内に、卵母細胞内のIP₃濃度が10 nMオーダーから数µMオーダーへ増加することが示された 。卵母細胞の抽出液中で測定されたIP₃の拡散定数（diffusion coefficient [D]）が280 µm2/sに対して遊離Ca²⁺が13~65 µm2/s（Ca²⁺を90 nMから1 µMに増加した時のD値）（IP₃が4～20倍以上の拡散定数をもつ）、IP₃の有効時間が1 sに対して遊離Ca²⁺は30 µs（IP₃が5桁長い有効時間をもつ）（結合Ca²⁺は1 sとIP₃と同等）、また拡散範囲はIP₃が24 µmに対して遊離Ca²⁺は0.1 µm（IP₃が3桁広い拡散範囲をもつ）（結合Ca²⁺は5 µmとIP₃の約1/5）であることも示された（表1）。

　こうした研究報告から、Ca²⁺と比較して、IP₃はグローバルメッセンジャーと考えられてきた。また、マウス神経芽細胞腫株N1E-115では、カルバコールでアセチルコリン受容体を刺激して産生されるIP₃の半減期が約9 sとの報告もある 。その後、ヒト神経芽細胞腫株SH-SY5Yを用いたケージドIP₃の光解離で誘導されるCa²⁺パフ（puff）（ストア上に散在するIP₃Rチャネルクラスター単位で起きる要素的なCa²⁺放出[elementary Ca²⁺ release]）では、IP₃の拡散定数は≤10 6micro;m²/sec（アフリカツメガエル卵母細胞での遊離Ca²⁺のDに匹敵）で推定される作用範囲も< 5 µmと、典型的な哺乳類細胞のサイズよりもやや小さいことから、IP₃もローカルメッセンジャーとしてはたらくと報告された（表1）。

表1. アフリカツメガエル卵母細胞とヒト神経芽細胞腫株におけるCa²⁺とIP₃の動態

	拡散定数	有効時間	拡散範囲	文献
Oocyte Ca2+	13-65 mm2/s	30 ms	0.1 mm
Oocyte IP3	280 mm2/s	1 s	24 mm
SH-SY5Y IP3	≤10 mm2/s		< 5 mm

　代謝化合物であるIP₃シグナルと、陽イオンであるCa²⁺シグナルとでは、刺激後に細胞内で発生して、その後低減されるまでのメカニズムが全く異なる。このため、2つの二次メッセンジャーが変換されるIICRにおいて、IP₃の代謝活性やCa²⁺のホメオスタシス制御が細胞によって異なるため、両者のシグナル寿命は細胞によっても異なることになる。加えて、細胞タイプによって活性化状態のIP₃Rの局所的な密度やCa²⁺ストアの細胞内分布パターンに多様性があることも（例えば、アフリカツメガエル卵母細胞はIP₃Rが細胞膜直下の小胞体に分布するが、通常の動物細胞では細胞質内のsERネットワークに比較的広く分布する）、時空間的なCa²⁺動態へ影響する 。

　ニューロンは神経伝達物質や神経栄養因子などをシナプスなどの特定の細胞部位で受容してPIP₂加水分解が起きるため、この場合のIP₃シグナルは局所的である。また、シナプス後部‐樹状突起－細胞体、そして核膜近傍に至るまで、IP₃Rが局在できるsERネットワークは分布しており、IP₃シグナルの持続性に応じた（また、次項で述べるCa²⁺によるIP₃Rの二相性の調節も関係した）時空間的なIICRによるCa²⁺伝播が、細胞応答や遺伝子発現の制御に関係する知見が得られている 。

IICRの細胞内動態

図4. IICRおけるIP₃/Ca²⁺シグナルの細胞内動態
IICRによる階層的なCa²⁺動態（Ca²⁺ blip→Ca²⁺ puff→Ca²⁺ wave）を図示している（Parker I et al. と Lock JT et al. を改変）。図中では、放出Ca²⁺による負の制御で変化する動態は割愛している。（a）は細胞外刺激を受けて細胞膜近傍でPI代謝回転の誘導が開始される段階。（b）は低[IP₃]、（c）は中程度[IP₃]、（d）は高[IP₃]におけるIP₃/Ca²⁺シグナルの動態を図示している。PI代謝回転が起きた細胞膜付近からIP₃が細胞内を拡散してできる濃度勾配を青色濃淡で示している。IP₃R/Ca²⁺放出チャネルによってCa²⁺ストアから放出されるCa²⁺が細胞内を拡散してできる濃度勾配を赤色濃淡で示している。ギャップ結合（GAP junction, GJ）をもつ細胞間では、IP₃は細胞間シグナルとしてもはたらく。図では、Ca²⁺が細胞内を局所的（local）に、IP₃がより細胞内を広域（global）に拡散する様子を示しているが、動態は細胞タイプなどによって多様性があり、IP₃がより局所的なメッセンジャーとしてはたらく細胞もある。（b）低[IP₃]では、IP₃Rチャネルの単独とクラスターを問わず、確率論的にIP₃と結合したIP₃RチャネルにおいてCa²⁺ブリップが起きる。（c）中程度[IP₃]では、IP₃Rチャネルクラスター（アンカーされて不動性）が活性化され、Ca²⁺パフが起きる。また、IICRによって生じるCa²⁺は濃度に依存して二相性にIP₃Rを制御する：至適[Ca²⁺]濃度を超えた高[Ca²⁺]域ではIP₃Rを負にフィードバック制御、至適[Ca²⁺]域であれば（一定レベルのIP₃下で）隣接するIP₃Rを活性化（正の制御）する。（d）高[IP₃]では、正のCa²⁺制御により（RyRによるCICR様のモードで）、隣接する一連のIP₃R集団の連続的な活性化によって細胞内Ca²⁺波（intracellular Ca²⁺ wave）が伝播し 、その結果、空間的および速度論的に広域Ca²⁺シグナルの特性が発揮される 。サイレントIP₃Rの活性化も示唆されている。高[IP₃]下でのグローバルなCa²⁺放出には、Ca²⁺パフの他に、ストアに分散して局在するIP₃R（可動性）による時空間的に持続性のあるCa²⁺上昇が寄与するモデルもある 。

　電位依存性Ca²⁺チャネルや、NMDA型グルタミン酸受容体のようなリガンド開口性Ca²⁺透過チャネル（ligand-gated Ca²⁺ permeable channel）などによる細胞外からのCa²⁺流入（Ca²⁺ influx）では、細胞膜のチャネルポア付近を起点としてCa²⁺濃度勾配の局所性が生じ、またCa²⁺スパイク（Ca²⁺ spike）などの動態が見られたりする。一方、IP₃によって誘導される細胞内からのCa²⁺放出（Ca²⁺ release）では、細胞体から神経突起やスパインなどへも連なるCa²⁺ストア（sER）のネットワーク上にIP₃Rが異なった密度で局在するため、局在部を起点としたCa²⁺濃度の勾配と局所性が生じる。IP₃Rのチャネル開口にはIP₃と共にCa²⁺もコアゴニスト（co-agonist）として必要である。

　一定のIP₃濃度（[IP₃]）下で、IICRにより上昇した[Ca²⁺]iが至適濃度域（~200 nM）では正に（RyRのようなCICRモードで活性化）、高濃度域（>200 nM）では逆に負にフィードバック調節をする（図4）。この放出Ca²⁺による二相性の調節も、IICRによる多彩なCa²⁺動態に関係している（負の調節はCa²⁺/CaMがIP₃Rに結合しチャネル活性を阻害することによる ）。ストア上のIP₃R/Ca²⁺放出チャネル（4量体の複合体）は、単独あるいは数個～10数個のクラスターで分布する（クラスターのIP₃Rチャネル数は細胞によって異なる）。細胞の種類やニューロンの細胞区画によって多様性はあるであろうが、一般的な動物細胞ではクラスターのIP₃Rチャネルは主に細胞膜近傍のストアにアンカーされて動かない定常状態で（核周辺との報告もある）、この他にIP₃Rチャネルはクラスター化せずに広く細胞質内のストアに動的な状態で点在しているとの考えがある 。個々のIP₃Rチャネルクラスター単位で起きるIICRの要素的な現象をCa²⁺パフ（Ca²⁺ puff）と呼ぶ（図4）（RyRによる類似した要素的な現象に心筋細胞で見られるCa²⁺スパーク[Ca²⁺ spark]がある）。低[IP₃]域では、単独あるいはクラスター中の一部のIP₃Rチャネルが確率論的にIICRを起こし、この現象はCa²⁺ブリップ（Ca²⁺ blip）と呼ぶ。中程度 [IP₃]域では、クラスターを構成するIP₃Rチャネルの同調した活性化によって、Ca²⁺ブリップより大きいCa²⁺パフが起きる（細胞と刺激の種類によるが、ヒスタミン処理したHeLa細胞では、ブリップのCa²⁺増幅が~30 nM、寿命が<0.5 s、拡散範囲が<2 µmに対し、パフはそれぞれ~170 nM、~1 s、~4-7 µmと大きい ）。上昇した[Ca²⁺]i域にある近傍IP₃Rは、放出Ca²⁺による正の制御によってCICRモードとなり、さらなる[Ca²⁺]iの上昇につながる。高[IP₃]域では、放出Ca²⁺による正の制御がさらに近位から遠位へと段階的に伝播し、細胞内に広がるストアネットワーク上のIP₃Rチャネルが連続的にCICRモードとなることで（また、低[IP₃]では不活性状態（silent）のIP₃Rが、高[IP₃]で活性化すると示唆されている）、グローバルなCa²⁺波（Ca²⁺ wave）などの複雑なCa²⁺動態が生み出されるモデルが提唱されている 。

　このようにIICRは、要素的なCa²⁺ブリップそしてCa²⁺パフから、さらにグローバルなCa²⁺波までの階層的な事象のシグナル伝達から構成され、細胞によっては、Ca²⁺振動（Ca²⁺ oscillation）やCa²⁺スパイラル（Ca²⁺ spiral）などの時空間的に多彩な動態が観察される 。

　細胞内には、nMからmMに至るまで100万倍の範囲で異なったCa²⁺親和性をもつ多くの標的タンパク質 が、局所的に存在している。こうしたCa²⁺で制御されるタンパク質の活性は、IICRによって生じるCa²⁺マイクロドメインの時空間的な動態で制御され 、また異なった振幅(AM)や周波数(FM)のパターンをもつCa²⁺動態 によっても多様に制御される（例えば、MAPKとCaMKIIを活性化するCa²⁺振動の周波数域に違いがあり、カルシニューリンとCaMKIIを活性化する周波数域と増加Ca²⁺総量にも違いがある ）。

　このように、IICRによる細胞内Ca²⁺動態の多様性と、標的タンパク質がもつCa²⁺親和性と細胞内分布の多様性が、多くの細胞機能ではたらく多彩なIP₃/Ca²⁺シグナル伝達に関係している 。また、CaM結合Ca²⁺（CaM-bound Ca²⁺）になることで、遊離Ca²⁺よりも長寿命シグナルとなり、新たにCa²⁺/CaM依存性の標的分子へ作用できる適応性や融通性も増すことができる 。

細胞間コミュニケーションシグナル

　IP₃は、分子量1 kDa以下の電解質イオンや代謝物などを透過するギャップ結合（gap junction）を通過することができ、細胞間を伝播することで細胞間コミュニケーションのシグナルとしてもはたらき、アストロサイトの細胞間Ca²⁺波の誘導などに関係する 。

IP₃シグナル関連技術

IP₃シグナルの検出

　PLC-δのPIP₂結合に寄与するPleckstrin homology (PH)ドメインや、IP₃受容体のIP₃リガンド結合ドメイン を利用して、蛍光タンパク質と融合させた組換えIP₃センサーが開発されている（表2）。

表2. 組換えIP₃センサー蛍光タンパク質

IP3センサー名	IP3結合領域	IP3結合の親和性/阻害※1	蛍光検出※2	文献
GFP-PHD	PLC-δ PH domain	Kd=93 nM	GFP
LIBRA	Rat IP3R1/2/3 IP3BD	Kd=117.2～491.5 nM	FRET CFP/YFP CFP/Venus	,
Fretino	Human IP3R1 IP3BCD	Kd=7.6～190 nM	FRET CFP/YFP
FIRE	Rat IP3R1/2/3 IP3BD	Kd=31.3～36.4 nM	FRET CFP/YFP
InsP3 sensor (InsP3R-LBD)	Human IP3R1 IP3BCD	Kd=3.0～10.1 nM	FRET Cerulean/Venus BRET Sluc/Venus
IRIS	Mouse IP3R1 IP3BCD	Kd=47～550 nM	FRET Venus/ECFP HaloTag-TMR/EGFP	,
CFLA-IP3	Rat IP3R2 IP3BD※2	IC50=139.7/352.1 nM for 30/100 nM FLL	FRET Cerulean/FLL

※1複数のセンサータイプがもつIP₃結合親和性(Kd)/あるいは競合結合阻害濃度(IC50)の範囲
※2 IP₃を蛍光検出するための方法、および使用する蛍光タンパク質/蛍光化合物

PH：Pleckstrin homology (PH)ドメイン、IP₃BD：IP₃リガンド結合ドメイン（IP₃ ligand binding domain） 、IP₃BCD：IP₃リガンド結合コアドメイン（IP₃ ligand binding core domain） 、CFLA：competitive fluorescent ligand assay、FLL：蛍光低親和性リガンド（fluorescent low-affinity ligand）、Sluc：Renilla Super luciferase、FRET：fluorescence resonance energy transfer、BRET：bioluminescence resonance energy transfer

　IP₃センサーを用いたIP₃の検出により、刺激によって増加する細胞内IP₃濃度がCa²⁺振動スパイクが発生する間は持続し、Ca²⁺の初期放出後にIP₃濃度がピークになり、産生と代謝のバランスによりわずかにIP₃も振動することなどが示されている 。

IP₃シグナルの抑制

　マウスIP₃R1の高親和性IP₃リガンド結合コアドメイン を発現させ、細胞質内のIP₃を結合で吸収することで、IP₃シグナル伝達の抑制を目的とした組換えタンパク質IP₃スポンジ（IP₃ sponge） と、これを適用したIP₃ spongeトランスジェニックマウス が開発されている。  

関連項目

• ホスファチジルイノシトール
• ホスホリパーゼC
• IP₃受容体
• カルシウム
• 滑面小胞体