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<font size="+1">[https://researchmap.jp/486CGZ 井上 浩一]</font><br> | <font size="+1">[https://researchmap.jp/486CGZ 井上 浩一]</font><br> | ||
''名古屋市立大学医学研究科統合解剖学分野''<br> | ''名古屋市立大学医学研究科統合解剖学分野''<br> | ||
DOI：<selfdoi /> | DOI：<selfdoi /> 原稿受付日：2023年3月1日 原稿完成日：2023年4月23日<br> | ||
担当編集委員：[http://researchmap.jp/wadancnp 和田 圭司]（国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター）<br> | 担当編集委員：[http://researchmap.jp/wadancnp 和田 圭司]（国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター）<br> | ||
</div> | </div> | ||
英：Na-K-2Cl | 英：Na-K-2Cl co-transporter<br> | ||
英略語：NKCC<br> | 英略語：NKCC<br> | ||
{{box|text= Na-K- | {{box|text= Na-K-2Cl共輸送体は、細胞膜上に局在し、Na<sup>+</sup>、K<sup>+</sup>と2個のCl<sup>-</sup>を同時に輸送するイオントランスポーターである。高等動物ではNKCC1 (SLC12A2)とNKCC2 (SLC12A1)の2つのサブファミリーが存在し、NKCC1はユビキタスに、NKCC2は主に腎臓の尿細管に発現する。主な働きとして、細胞内外へのイオン輸送の制御と、それによる生体・細胞内の容量制御に関与する。その他、神経細胞においては、NKCC1が細胞内Cl<sup>-</sup>濃度の調節に関与し、細胞内Cl<sup>-</sup>濃度はGABAやグリシン受容体など陰イオンチャネルを介する膜電位変化（脱分極・過分極）に影響を及ぼすため、神経機能、特に生体における脳機能・精神機能に重要な役割を果たすことが示唆されている。ヒトNKCC2は低カリウム血症などを起こすBartter症候群の原因遺伝子であることが報告されている。}} | ||
==NKCCとは== | ==NKCCとは== | ||
16世紀から[[浮腫]]に対する[[利尿薬]]の治療効果が知られていた。20世紀に入り合成化学が進歩すると、1950年代に[[サイアザイド系利尿薬]]が、1960年代に[[ループ利尿薬]]が開発された<ref name=野田裕美2011>'''野田裕美 (2011).'''<br>利尿薬の歴史と作用機序. Fluid Management Renaissance 1:20-24.</ref> 。ループ利尿薬の標的の分子実態を探す目的で、[[イヌ]]の[[腎臓]]の[[膜タンパク質]]抽出液を用いて放射線同位元素で標識したループ利尿薬と結合する分子を同定し、[[モノクローナル抗体]]を作成した<ref name=Lytle1992><pubmed> 1460038 </pubmed></ref> 。それらを用い、[[λファージ]]の[[cDNAライブラリー]]を利用した[[発現クローニング]]で[[NKCC1]] ([[SLC12A2]])<ref name=Xu1994><pubmed>8134373</pubmed></ref>と[[NKCC2]] ([[SLC12A1]])<ref name=Payne1994><pubmed>7514306</pubmed></ref> がクローニングされ、その後各生物のNKCC1及びNKCC2の遺伝子が次々に同定された。 | 16世紀から[[浮腫]]に対する[[利尿薬]]の治療効果が知られていた。20世紀に入り合成化学が進歩すると、1950年代に[[サイアザイド系利尿薬]]が、1960年代に[[ループ利尿薬]]が開発された<ref name=野田裕美2011>'''野田裕美 (2011).'''<br>利尿薬の歴史と作用機序. Fluid Management Renaissance 1:20-24.</ref> 。ループ利尿薬の標的の分子実態を探す目的で、[[イヌ]]の[[腎臓]]の[[膜タンパク質]]抽出液を用いて放射線同位元素で標識したループ利尿薬と結合する分子を同定し、[[モノクローナル抗体]]を作成した<ref name=Lytle1992><pubmed> 1460038 </pubmed></ref> 。それらを用い、[[λファージ]]の[[cDNAライブラリー]]を利用した[[発現クローニング]]で[[NKCC1]] ([[SLC12A2]])<ref name=Xu1994><pubmed>8134373</pubmed></ref>と[[NKCC2]] ([[SLC12A1]])<ref name=Payne1994><pubmed>7514306</pubmed></ref> がクローニングされ、その後各生物のNKCC1及びNKCC2の遺伝子が次々に同定された。 | ||
[[ファイル:Inoue NKCC Fig1.png|thumb|'''図1. NKCC1/2の構造'''<br> | |||
NKCC1/2（オレンジ色）はいずれも12回膜貫通型の膜タンパク質で、両末端は細胞質に局在している。いずれもエクソン4によってコードされる膜貫通領域（transmembrane region; TM）2付近(緑色の領域)のアミノ酸配列がイオン輸送に重要であることが示唆されており、NKCC2では異なるエクソン4が挿入されることにより、イオンへの親和性が異なるバリアントが存在する<ref name=Gimenez2002><pubmed>11815599</pubmed></ref>。NKCC1/2はいずれもN末の細胞質領域（P）の複数のセリン/スレオニン残基がリン酸化酵素SPAK及びOSR1によりリン酸化されることによりイオントランスポート活性が増強される。文献<ref name=Garneau2020><pubmed>33052775</pubmed></ref>に基づき筆者作成。]] | |||
==構造== | ==構造== | ||
[[Solute carrier protein]] ([[溶質輸送体タンパク質]], Slc）12ファミリーに属する膜タンパク質は12回膜貫通型でN末、C末が細胞内に局在する構造を取る('''図1''')。NKCC1は約1200アミノ酸(サメ型は1191残基)を含み、[[ウェスタンブロッティング]]では見かけ上195kDaほどの大きさとなる。[[膜貫通領域]](transmembrane, TM)7-8の細胞外領域で[[グリコシル化]]（[[糖鎖修飾]]）を受けており、[[グルコシダーゼ]]による[[脱グリコシル化]]で、分子量から期待されるサイズである~130kDaでの検出となる<ref name=Xu1994><pubmed>8134373</pubmed></ref> 。 | |||
[[Solute carrier protein]] ([[溶質輸送体タンパク質]], | |||
[[ヒト]]のNKCC1遺伝子は5番目の染色体上にあり、27のエクソンが連なり、mRNAが作製される。21番目のエクソン（16アミノ酸をコード）がスキップしたスプライスバリアントが存在し、NKCC1B と呼ばれる。NKCC2は15番目の染色体上にあり、約1100アミノ酸(ヒト型は1099残基)を含み、NKCC1同様グリコシル化を受けている<ref name=Payne1994><pubmed>7514306</pubmed></ref> 。NKCC2のORFは26のエクソンにまたがっているが、NKCC2のクローニングの際、4番目のエクソンが異なる3つのスプライスバリアント(NKCC2A, B, F)が見いだされている<ref name=Igarashi1995><pubmed>7573490</pubmed></ref> 。 | [[ヒト]]のNKCC1遺伝子は5番目の染色体上にあり、27のエクソンが連なり、mRNAが作製される。21番目のエクソン（16アミノ酸をコード）がスキップしたスプライスバリアントが存在し、NKCC1B と呼ばれる。NKCC2は15番目の染色体上にあり、約1100アミノ酸(ヒト型は1099残基)を含み、NKCC1同様グリコシル化を受けている<ref name=Payne1994><pubmed>7514306</pubmed></ref> 。NKCC2のORFは26のエクソンにまたがっているが、NKCC2のクローニングの際、4番目のエクソンが異なる3つのスプライスバリアント(NKCC2A, B, F)が見いだされている<ref name=Igarashi1995><pubmed>7573490</pubmed></ref> 。 | ||
[[ファイル:Inoue NKCC Fig2.png|サムネイル|'''図2. NKCC1/2が属するCCCファミリーの系統樹''']] | |||
==サブファミリー== | ==サブファミリー== | ||
NKCCが含まれるSlc12にはNKCC1/2の他に、Na<sup>+</sup>、Cl<sup>-</sup>の共輸送体である[[Na-Cl共輸送体]] (NCC)とK<sup>+</sup>、Cl<sup>-</sup>の共輸送体である[[K-Cl共輸送体]][[KCC]]1-4が含まれる。機能未知の[[CCC8]]及び[[CCC9]]を構造上ファミリーに加える考えもあるが、相同性はNKCC、NCC、KCCと比べて低い<ref name=Reid2020><pubmed>32286222</pubmed></ref>('''図2''') 。 | NKCCが含まれるSlc12にはNKCC1/2の他に、Na<sup>+</sup>、Cl<sup>-</sup>の共輸送体である[[Na-Cl共輸送体]] (NCC)とK<sup>+</sup>、Cl<sup>-</sup>の共輸送体である[[K-Cl共輸送体]][[KCC]]1-4が含まれる。機能未知の[[CCC8]]及び[[CCC9]]を構造上ファミリーに加える考えもあるが、相同性はNKCC、NCC、KCCと比べて低い<ref name=Reid2020><pubmed>32286222</pubmed></ref>('''図2''') 。 | ||
[[ファイル:Inoue NKCC Fig3.png|サムネイル|'''図3. 腎臓におけるNKCC2スプライスバリアントの発現分布'''<br>マウスの胎仔の腎臓組織を用いて行ったin situ hybridizationの結果<ref name=Gimenez2002 />を模式的に表示したもの。NKCC2Fは青、NKCC2Aは緑、NKCC2Bは灰色で示す。]] | |||
==発現== | ==発現== | ||
NKCC1はユビキタスに発現している。神経細胞においては、発達につれてNKCC1の発現量が減少するとの報告があるが、ある程度成長した後も野生型とNKCC1欠損マウスでの細胞内Cl<sup>-</sup>濃度が異なっており、成長後も一定量存在するものと考えられる<ref name=Khirug2008><pubmed>18448640</pubmed></ref><ref name=Yamada2004><pubmed>15090604</pubmed></ref> 。細胞内の局在に関しては、NKCC1A/B間で異なるエクソン21に相当する16アミノ酸が[[極性]]細胞におけるNKCC1の[[基底膜]]側への局在に重要であるとの報告がある<ref name=Carmosino2008><pubmed>18667527</pubmed></ref>。 | |||
NKCC2は腎臓特異的に発現しているが、[[腸管]]や[[膵臓]][[ランゲルハンス島]]の[[β細胞]]に発現するという報告もある<ref name=Alshahrani2012><pubmed>22759959</pubmed></ref><ref name=Xue2009><pubmed>19460103</pubmed></ref> 。腎臓では[[ヘンレ係蹄の太い上行脚]]([[thick ascending limb of Henle's loop]]: TAL)から糸球体付近までの遠位尿細管に発現しており、その中でのバリアントの発現分布は、[[NKCC2F]]は腎髄質内帯の尿細管、[[NKCC2A]]は腎髄質外帯の尿細管から糸球体付近まで、[[NKCC2B]]は糸球体の[[マクラデンサ]]に発現している<ref name=Gimenez2002><pubmed>11815599</pubmed></ref> 。 | |||
NKCC2は腎臓特異的に発現しているが、[[腸管]]や[[膵臓]][[ランゲルハンス島]]の[[β細胞]]に発現するという報告もある<ref name=Alshahrani2012><pubmed>22759959</pubmed></ref><ref name=Xue2009><pubmed>19460103</pubmed></ref> 。腎臓では[[ | |||
==機能== | ==機能== | ||
Slc12に属する分子は、Na<sup>+</sup>-K<sup>+</sup>-ATPaseによって生じるNa<sup>+</sup>、K<sup>+</sup>の濃度勾配を利用してCl<sup>-</sup>の移動を行う共輸送体(シンポーター)であり、その中でNKCCは1つのNa<sup>+</sup>、1つのK<sup>+</sup>、2つのCl<sup>-</sup>を同時に同方向に輸送する。NKCC1を介するCl<sup>-</sup> | Slc12に属する分子は、Na<sup>+</sup>-K<sup>+</sup>-ATPaseによって生じるNa<sup>+</sup>、K<sup>+</sup>の濃度勾配を利用してCl<sup>-</sup>の移動を行う共輸送体(シンポーター)であり、その中でNKCCは1つのNa<sup>+</sup>、1つのK<sup>+</sup>、2つのCl<sup>-</sup>を同時に同方向に輸送する。NKCC1を介するCl<sup>-</sup>の取り込みとそれに伴う水分の流入は細胞の高張ストレスに対する細胞容積調節の主因子となっている。腎尿細管ヘンレ係蹄の太い上行脚(NKCC2優位)や[[唾液腺]]分泌上皮など極性のある細胞では一面に局在することにより、Na<sup>+</sup>やCl<sup>-</sup>等のイオンを一方向行に移行し、Na<sup>+</sup>の再吸収や分泌液の生成に作用する<ref name=Khalafalla2020><pubmed>32231563</pubmed></ref><ref name=MacAulay2020><pubmed>32870507</pubmed></ref> 。 | ||
[[''' | [[ファイル:Inoue NKCC Fig4.png|サムネイル|'''図4. 腎尿細管におけるNKCC2の局在'''<br> | ||
腎尿細管(TAL)ではNKCC2は尿管側に局在し、尿管内の Na<sup>+</sup>、K<sup>+</sup>、2Cl<sup>-</sup> を細胞内に流入させる。K<sup>+</sup>は[[ROMK]]を介して再び尿管側へ、Na<sup>+</sup>とCl<sup>-</sup>はそれぞれ[[塩素チャネル|Cl<sup>-</sup>チャネル]]([[ClC-Kb]])と[[Na+/K+-ATPase|Na<sup>+</sup>/K<sup>+</sup>-ATPase]]を介して[[血管]]内に輸送される。一方で、遠位曲尿細管(distal convoluted tubule: DCT)ではNKCC2の代わりにCCCファミリーの分子であるNCCがNaCl輸送に関わる。<br> | |||
文献<ref name= | 文献<ref name=Azlan2020><pubmed> 34094823 </pubmed></ref>よりCC BY-NC-ND 4.0に基づき利用。]] | ||
[[ファイル:Inoue NKCC Fig5.png|サムネイル|'''図5. 神経細胞の成熟における、Cl<sup>-</sup>平衡電位の変化とNKCC1とKCC2の寄与'''<br>NKCC1が優位な未熟な神経細胞ではGABA<sub>A</sub>受容体の活性化により細胞内のCl<sup>-</sup>が流出し[[脱分極]]を起こす。成長につれてKCC2の発現が上昇し[Cl<sup>-</sup>]<sub>in</sub>が低下するとGABA<sub>A</sub>受容体の活性化は細胞内へのCl<sup>-</sup>の流入を起こし過分極する<ref name=Andrews2020><pubmed>33266310</pubmed></ref>。]] | |||
[[神経細胞]]においては、神経特異的[[KCC2]]と協働し細胞内Cl<sup>-</sup>濃度の調節に関与する。上述のようにNKCC1の発現レベルの変化については統一されていないが、KCC2は発達と共に発現レベルが上昇することが知られている<ref name=Rivera1999><pubmed>9930699</pubmed></ref> 。このため、KCCはCl<sup>-</sup>を細胞外にくみ出す活性を持つが、神経細胞では発達につれてKCC2の発現レベルが上昇し、KCC活性がCl<sup>-</sup>を流入させるNKCC活性を上回り、細胞内Cl<sup>-</sup>濃度は低下する。神経細胞に発現する[[GABAA受容体|GABA<sub>A</sub>受容体]]や[[グリシン受容体]]は陰イオンチャネルであり、活性化すると生理的条件下ではCl<sup>-</sup>やHCO<sub>3</sub><sup>-</sup>など陰イオンを透過する。細胞内外の陰イオンではCl<sup>-</sup>が最も多く、Cl<sup>-</sup>はHCO<sub>3</sub><sup>-</sup>より透過性が高いため(GABA<sub>A</sub>受容体ではP<small>HCO<sub>3</sub><sup>-</sup></small>/P<small>Cl<sup>-</sup></small>=~0.2<ref name=Kaila1994><pubmed>7522334</pubmed></ref> )、Cl<sup>-</sup>が優位に透過することになるが、その場合、膜電位変化はCl<sup>-</sup>の[[平衡電位]]に近づくように変化する。平衡電位はおおむね細胞内外の当該イオンの濃度から[[ネルンストの式]]から計算される。 | [[神経細胞]]においては、神経特異的[[KCC2]]と協働し細胞内Cl<sup>-</sup>濃度の調節に関与する。上述のようにNKCC1の発現レベルの変化については統一されていないが、KCC2は発達と共に発現レベルが上昇することが知られている<ref name=Rivera1999><pubmed>9930699</pubmed></ref> 。このため、KCCはCl<sup>-</sup>を細胞外にくみ出す活性を持つが、神経細胞では発達につれてKCC2の発現レベルが上昇し、KCC活性がCl<sup>-</sup>を流入させるNKCC活性を上回り、細胞内Cl<sup>-</sup>濃度は低下する。神経細胞に発現する[[GABAA受容体|GABA<sub>A</sub>受容体]]や[[グリシン受容体]]は陰イオンチャネルであり、活性化すると生理的条件下ではCl<sup>-</sup>やHCO<sub>3</sub><sup>-</sup>など陰イオンを透過する。細胞内外の陰イオンではCl<sup>-</sup>が最も多く、Cl<sup>-</sup>はHCO<sub>3</sub><sup>-</sup>より透過性が高いため(GABA<sub>A</sub>受容体ではP<small>HCO<sub>3</sub><sup>-</sup></small>/P<small>Cl<sup>-</sup></small>=~0.2<ref name=Kaila1994><pubmed>7522334</pubmed></ref> )、Cl<sup>-</sup>が優位に透過することになるが、その場合、膜電位変化はCl<sup>-</sup>の[[平衡電位]]に近づくように変化する。平衡電位はおおむね細胞内外の当該イオンの濃度から[[ネルンストの式]]から計算される。 | ||
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このようにKCC2が十分発現している細胞では[Cl<sup>-</sup>]<sub>in</sub>が減少することで、GABA<sub>A</sub>受容体やグリシン受容体が活性化されると、細胞内イオンは細胞内へ流入し、[[過分極]]を引き起こすため、これらのリガンドは[[抑制性伝達物質]]として作用する。 | このようにKCC2が十分発現している細胞では[Cl<sup>-</sup>]<sub>in</sub>が減少することで、GABA<sub>A</sub>受容体やグリシン受容体が活性化されると、細胞内イオンは細胞内へ流入し、[[過分極]]を引き起こすため、これらのリガンドは[[抑制性伝達物質]]として作用する。 | ||
==疾患との関わり== | ==疾患との関わり== | ||
===Bartter症候群=== | ===Bartter症候群=== | ||
NKCC2が関わる遺伝病として、常染色体潜性（劣性）遺伝をとる1型[[Bartter症候群]]がある<ref name=Simon1996><pubmed>8640224</pubmed></ref><ref name=日本小児腎臓病学会2014> | NKCC2が関わる遺伝病として、常染色体潜性（劣性）遺伝をとる1型[[Bartter症候群]]がある<ref name=Simon1996><pubmed>8640224</pubmed></ref><ref name=日本小児腎臓病学会2014>[https://www.shouman.jp/disease/details/02_14_034/ 日本小児腎臓病学会. バーター(Bartter)症候群 version 1.1. 小児慢性特定疾患情報センター]</ref><ref name=松野下夏樹2015>'''松野下夏樹、野津寛大、飯島一誠. (2015).'''<br>Bartter症候群/Gitelman症候群. ''日腎雑誌'', 57, 743-750 [https://jsn.or.jp/journal/document/57_4/743-750.pdf [PDF<nowiki>]</nowiki>]</ref> 。Bartter症候群は、[[低カリウム血症]]や[[代謝性アルカローシス]]などをきたす先天性の尿細管機能障害に基づく疾患であり、他の原因遺伝子を含む型と合わせてBartter症候群をなす。Bartter症候群全体での有病率は1/100万人といわれる。1型Bartter症候群は[[新生児Bartter症候群]]とも呼ばれ、先進国では出生前から羊水過多などで発見される。他の型と比べ重篤になる傾向がある。 | ||
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