「イノシトール1,4,5-三リン酸」の版間の差分

DOI：<selfdoi />　原稿受付日：2021年3月9日　原稿完成日：2022年3月17日<br>

{{box|text=　イノシトール1,4,5-三リン酸は、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4,5-二リン酸を基質として、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（Ca²⁺ release、あるいはCa²⁺動員Ca²⁺ mobilizationとも呼ぶ）をする。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。}}

　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、化学構造の項を参照）が[[カルシウム|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。

　次に、膜透過処理した[[肝臓|肝]]細胞を用いた研究において、&alpha;[[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<ref name=Burgess1984><pubmed>6325926</pubmed></ref> 。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<ref name=Berridge1984><pubmed>6095092</pubmed></ref> 。

　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<ref name=Maeda1990><pubmed>2153079</pubmed></ref><ref name=Supattapone1988><pubmed>2826483</pubmed></ref><ref name=Worley1987><pubmed>3040730</pubmed></ref> 、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<ref name=Furuichi1989><pubmed>2554142</pubmed></ref><ref name=Mignery1989><pubmed>2554146</pubmed></ref> 。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）<ref name=Furuichi1989><pubmed>2554142</pubmed></ref><ref name=Miyawaki1991><pubmed>1647021</pubmed></ref> 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(2,4,5)P₃]] > [[Ins(1,3,4,5)P4|Ins(1,3,4,5)P₄]]）を有したことから<ref name=Miyawaki1990><pubmed>2164403</pubmed></ref> 、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（[[IP3受容体|Ins(1,4,5)P₃受容体]]/Ca²⁺放出チャネル）が明らかになった。

　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|1,3,4-IP₃]]（あるいは[[Ins(1,3,4)P3|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。

　[[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<ref name=Berridge1993><pubmed>8381210</pubmed></ref><ref name=Berridge1989><pubmed>2550825</pubmed></ref> 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<ref name=Nishizuka1988><pubmed>3045562</pubmed></ref> の、それぞれ引き金となる。

　[[PLC-&beta;]]タイプの活性化経路<ref name=Taylor1991><pubmed>1707501</pubmed></ref> （'''図2'''➊～➍）：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; &alpha;/&beta;/&gamma;サブユニットの複合体）のG&alpha;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G&alpha;サブユニット（➋）が&beta;&gamma;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-&beta;タイプ（➌）が解離したGTP結合型G&alpha;サブユニット（GTP-G&alpha;）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-&gamma;]]タイプの活性化経路<ref name=Kim1991><pubmed>1708307</pubmed></ref><ref name=Wahl1988><pubmed>2457254</pubmed></ref> （'''図2'''①～④）：[[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-&gamma;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-&gamma;はY-Pと特異的に結合する[[SH2ドメイン]]をもつ）、PLC-&gamma;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）。

　この他に、PLC-&beta;2/3はGタンパク質の&beta;&gamma;サブユニットとの結合によって（PLC-&beta;1も弱く結合）<ref name=Rhee1997><pubmed>9182519</pubmed></ref> 、PLC-&delta;タイプは細胞内Ca²⁺濃度（[Ca²⁺]i）の増加によって<ref name=Allen1997><pubmed>9359428</pubmed></ref> 、[[PLC-&epsilon;]]タイプは[[低分子量GTPase]]のGTP結合型Ras/Rap<ref name=Kelley2001><pubmed>11179219</pubmed></ref><ref name=Song2001><pubmed>11022048</pubmed></ref> やGTP結合型Rho<ref name=Seifert2004><pubmed>15322077</pubmed></ref> によって、それぞれ活性化される。[[PLC-&eta;]]の活性化機構は未定であるが、Ca²⁺感受性が高く、G&beta;&gamma;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<ref name=Nakahara2005><pubmed>15899900</pubmed></ref> 。PLC-&zeta;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<ref name=Saunders2002><pubmed>12117804</pubmed></ref> 。

　[[IP4|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|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|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|IP₅K]]）による6位のリン酸化で[[IP6|IP₆]]（[[イノシトール六リン酸]][[inositol hexakisphosphate]]、[[InsP6|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-IP₄]]、[[5-PP-IP5|5-PP-IP₅]]や[[1-PP-IP5|1-PP-IP₅]]など）<ref name=Chakraborty2011><pubmed>21878680</pubmed></ref><ref name=Irvine2001><pubmed>11331907</pubmed></ref><ref name=Laha2021><pubmed>33422459</pubmed></ref><ref name=Lee2012><pubmed>23050966</pubmed></ref><ref name=Mulugu2007><pubmed>17412958</pubmed></ref>。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<ref name=Chakraborty2011><pubmed>21878680</pubmed></ref><ref name=Lee2007><pubmed>17412959</pubmed></ref><ref name=Monserrate2010><pubmed>20359876</pubmed></ref> 。

　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<ref name=Iwai2007><pubmed>17327232</pubmed></ref><ref name=Iwai2005><pubmed>15632133</pubmed></ref> 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 <ref name=Michikawa1999><pubmed>10482245</pubmed></ref> と100～400 nM <ref name=Tu2005><pubmed>15533917</pubmed></ref> 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<ref name=Demuro2015><pubmed>26344104</pubmed></ref> 、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。

　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]]）の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&micro;Mオーダーへ増加することが示された<ref name=Luzzi1998><pubmed>9786859</pubmed></ref> 。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 &micro;m2/sに対して遊離Ca²⁺が13~65 &micro;m2/s（Ca²⁺を90 nMから1 &micro;M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 &micro;s（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 &micro;mに対して遊離Ca²⁺は0.1 &micro;m（IP₃が3桁広い拡散範囲をもつ）（結合Ca²⁺は5 &micro;mとIP₃の約1/5）であることも示された<ref name=Allbritton1992><pubmed>1465619</pubmed></ref>（'''表1'''）。

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. <ref name=Parker1996><pubmed>8889202</pubmed></ref> と Lock JT et al. <ref name=Lock2019><pubmed>30703557</pubmed></ref> 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）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<ref name=Leybaert2012><pubmed>22811430</pubmed></ref> 、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<ref name=Lock2020><pubmed>32396066</pubmed></ref> 。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<ref name=Lock2020><pubmed>32396066</pubmed></ref> 。]]

　[[PLC-&delta;]]のイノシトールリン脂質結合に寄与する[[Pleckstrin homologyドメイン|Pleckstrin homology (PH)ドメイン]]や、IP₃受容体のIP₃リガンド結合ドメイン<ref name=Yoshikawa1996><pubmed>8663526</pubmed></ref> 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'''）。