「イノシトール1,4,5-三リン酸」の版間の差分

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<ref name=Berridge1998><pubmed>9697848</pubmed></ref><ref name=Berridge1989><pubmed>2550825</pubmed></ref><ref name=Hisatsune2017><pubmed>28211945</pubmed></ref><ref name=Matsumoto1996><pubmed>8538767</pubmed></ref><ref name=Mikoshiba2007><pubmed>17697045</pubmed></ref> 。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 <ref name=Furuichi1994><pubmed>7522674</pubmed></ref><ref name=Takeshima1989><pubmed>2725677</pubmed></ref><ref name=Woll2022><pubmed>34280054</pubmed></ref> 。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<ref name=Berridge1993><pubmed>8381210</pubmed></ref> 。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<ref name=Berridge2003><pubmed>12838335</pubmed></ref><ref name=Marchant2022><pubmed>34810081</pubmed></ref> 。cADPRはRyRによるCICRを媒介するが、NAADPは2孔型チャネルTPC（two-pore channel）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<ref name=Calcraft2009><pubmed>19387438</pubmed></ref><ref name=Marchant2022><pubmed>34810081</pubmed></ref><ref name=Ogunbayo2011><pubmed>21216967</pubmed></ref> 。

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<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。

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 <ref name=Collins2011><pubmed>21288721</pubmed></ref><ref name=Harraz2014><pubmed>24605083</pubmed></ref> 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<ref name=Bootman1997><pubmed>9363945</pubmed></ref> 。

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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 μm2/sに対して遊離Ca²⁺が13~65 μm2/s（Ca²⁺を90 nMから1 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 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<ref name=Allbritton1992><pubmed>1465619</pubmed></ref> （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<ref name=Wang1995><pubmed>7730788</pubmed></ref> 。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 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 m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<ref name=Dickinson2016><pubmed>27919026</pubmed></ref> （表1）。

 

 

 

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<ref name=Berridge2003><pubmed>12838335</pubmed></ref><ref name=Lock2019><pubmed>30703557</pubmed></ref> 。

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、ポストシナプス‐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<ref name=Berridge1998><pubmed>9697848</pubmed></ref> 。

IICRの細胞内動態：　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<ref name=Bezprozvanny1991><pubmed>1648178</pubmed></ref><ref name=Iino1990><pubmed>2373998</pubmed></ref><ref name=Parker1990><pubmed>2296584</pubmed></ref> （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<ref name=Michikawa1999><pubmed>10482245</pubmed></ref> ）。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<ref name=Lock2020><pubmed>32396066</pubmed></ref> 。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 mに対し、パフはそれぞれ~170 nM、~1 s、~4-7 mと大きい<ref name=Bootman1997><pubmed>9080361</pubmed></ref> ）。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<ref name=Bootman1997><pubmed>9363945</pubmed></ref><ref name=Lock2020><pubmed>32396066</pubmed></ref><ref name=Parker1996><pubmed>8889202</pubmed></ref> 。

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<ref name=Berridge1998><pubmed>9697848</pubmed></ref><ref name=Berridge2003><pubmed>12838335</pubmed></ref><ref name=Bootman1997><pubmed>9363945</pubmed></ref><ref name=Lock2020><pubmed>32396066</pubmed></ref><ref name=Parker1991><pubmed>1686093</pubmed></ref> 。

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> 。

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<ref name=Decrock2012><pubmed>22117194</pubmed></ref><ref name=Leybaert2012><pubmed>22811430</pubmed></ref> 。