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ニューロンの生存におけるイオンチャネルの役割

2010年 8月30日

王以政

王以政(Wang Yizheng):中国科学院神経科学研究所神経シグナル伝達研究チームリーダー・研究員
中国細胞生物学会常務理事兼任

1957年7月生まれ。1999年、中国医大卒業。1991年、カナダLaval大学にて生物化学及び実験医学博士号取得。1991年より1994年まで、アメリカCase Western Reserve 大学、フランスNice大学にてそれぞれポスドク研究に従事。1995年より2001年まで、カナダNational Research Council及びアメリカThomas Jefferson 大学にて相次いで勤務。研究計画委員会委員等の職務を担当。

共著者:黄 俊波

 ニューロンのアポトーシスと生存は神経系の機能に影響を与えるが、それは神経損傷及び退行性疾患を治療するうえでの突破口の一つでもある。ニューロンの特殊な形態と機能ゆえに、その膜上のそれぞれに異なる大量のイオンチャネルは、ニューロンの生死に対し重要な役割を有している。イオンチャネルの研究は中国の神経生物学における活発な分野の一つである。この10年来、さまざまな技術的手段がイオンチャネルの活性・構造・機能の関係及び、生理的・生化学的特性の測定に用いられるようになるにつれ、我々は神経系におけるイオンチャネルの役割についていっそう理解するようになった。本論文は、中国の近年の、神経ニューロンの生存におけるイオンチャネルの役割に関するいくつかの方面の研究を紹介するものである。

 哺乳動物の胎児の発育早期には大量のニューロンが発生し、そのうちの大部分はその後の発育過程の中で自然に死亡する(アポトーシス)。発育の晩期になると、約70%のニューロンしか生存していない。このようなニューロンが大量に発生し、また大量に死ぬ現象は中枢及び末梢神経系に存在している。正確な神経回路網を形成し、誤った連結を排除するために、神経系はこのような大量の神経細胞のプログラムされた死を選択し、一方、わずかのニューロンを選択的に生存させる。病理条件の下で、ニューロンは体内において傷害刺激に対し最も寛容でない細胞の一つである。ニューロンの特殊な形態が、それらの表面積/体積比を大きくしているため、例えば、無酸素、虚血、興奮性アミノ酸の刺激等といった環境の変化に対し敏感なのである。体内のその他のタイプの細胞に比べ、神経細胞は再生能力が劣っている。成人及び老年の個体において、新生ニューロンはどのようにして複雑な神経回路網に整理統合されるのかという問題も存在している。したがって、傷害に対するニューロンの感受性を低下させ、あるいは自身の生存経路を活性化して傷害に対抗することは、病理条件の下でのニューロンの生存にとって助けとなる。

 ニューロンの電気的活動はニューロン細胞の膜内外電位差の急速な変化に依存しており、一方、このような変化はイオンチャネルというカテゴリーの膜タンパク質によって媒介されている。ニューロン内のイオンホメオタシスの基盤として、イオンチャネルは、ニューロンの生存を含むその様々な機能にとって必須のものである。なかでも、細胞内カルシウム濃度を調節することのできるイオンチャネルの、ニューロンの生存に対するコントロール作用はとりわけ重要である。例えば、既知の電位依存性カルシウムチャネル(VGCC)は、分裂促進因子活性化タンパク質キナーゼ(MAPK)及びcAMP応答配列結合タンパク(CREB)に依存した方法によって、神経細胞の生存を促進する(1)。したがって、VGCCの活性を増し、あるいはその発現レベルを高めることにより、神経を保護することができる。反対に、イオンチャネルの機能または発現の異常はニューロンの損傷をもたらすことにもなる。例えば、虚血過程において、NMDA亜型グルタミン酸受容体の過度な開放はニューロン内のカルシウムイオン過負荷を招き、結果として興奮性神経毒性をもたらす(2)。酸感受性イオンチャネル(ASICs)を通じてのカルシウム流入もまた、無酸素及び虚血における神経損傷を引き起こすと考えられている(3)。以上のことからわかるように、それぞれのイオンチャネルに由来するカルシウムは、ニューロンの生存に対し明らかにさまざまな影響を与えている。イオンチャネルは広範囲な生理機能を具え、細胞表面に分布し、構造の面で異質性を有し、しかも多くが組織特異的発現であるため、重要な薬物ターゲットである。本論文では、いくつかのカルシウム透過性イオンチャネルのニューロンの生存に対する役割について検討する。

酸感受性イオンチャネル(Acid-sensing ion channels, ASICs)

 酸感受性イオンチャネルは細胞外のプロトンによって活性化・開放され、表皮ナトリウムチャネル/退行因子(degenerin/epithelial)スーパーファミリーメンバーに属している。この種のチャネルはアニオン選択性を有し、また利尿薬アミロリド(diuretic amiloride)に対し敏感である(4,5)。これまでに、すでに4つのASICの遺伝子がクローン化され、この4つの遺伝子は6種類のASICタンパク質サブユニット(1a、1b、2a、2b、3、4)をコードしているが、この6種類のサブユニットのうち、ASIC1a、2a、2b、4は中枢神経系と末梢神経系のどちらにも発現し、一方、1bと3は主に末梢感覚ニューロンに発現する(6)。

 ASIC1aサブユニットによって構成されているホモオリゴマー酸感受性イオンチャネルは、カルシウムイオンを透過することができ、反対に、ヘテロオリゴマー及びその他のサブユニットから成るホモオリゴマーのチャネルはカルシウムを透過することができない(7,8)。ASIC1遺伝子をノックアウトしたマウスには、顕著なシナプス可塑性の傷害及び学習記憶能力の欠陥が発現する(9,10)。虚血過程における低pH値(6.3またはそれ以下)及びそれに伴う細胞質のカルシウム過負荷はともに神経毒性を有しており(11,12)、ASIC1aホモオリゴマーのチャネルがカルシウムを透過できることから、その活性化は虚血のもたらす細胞死を媒介している可能性がある。

 中国科学院神経科学研究所の徐天楽らの研究は、ASIC1aサブユニットの478番目と479番目のセリンの燐酸化が虚血過程におけるASICチャネル電流の増加を媒介し、この電流の増加がさらに多くの海馬領域の細胞の死を引き起こすことを発見した(13)。彼らの研究により、虚血刺激はNR2Bサブユニットを含有するNMDA受容体を開放させ、それによってカルモジュリン依存性プロテインキナーゼⅡ(CaMKⅡ)に自己リン酸化の後、さらにASIC1aサブユニットの上述の2つのセリン部位をリン酸化させるということがわかった。この発見は、NMDAR-CaMKⅡカスケードチャネルのASIC1a機能に対する調節が虚血損傷における酸の毒性効果に関与していることを明らかにした。NMDA受容体を遮断するのに比べ、ASIC1aを遮断するという治療手段は副作用がより小さい可能性がある(14,15)。

アルギン酸型グルタミン酸受容体

 イオンチャネル型グルタミン酸受容体は3つのタイプ―NMDA受容体、AMPA受容体、アルギン酸受容体に分かれている。アルギン酸受容体は前の2つと同じく、すべてテトラマーであり、5種類のサブユニット―GluR5、GluR6、GluR7、KA1、KA2の組み合わせにより構成されている(16)。

 非NMDA受容体の拮抗薬は一過性脳虚血症のもたらすCA1領域の細胞死に対し阻害作用を有する、という研究報告がある(17)。中国徐州医学院の張光毅及びその同僚らの最近の研究は、GluR5、GluR6サブユニットを含むアルギン酸受容体が、脳虚血症のもたらすCA1領域の細胞死過程に関与していることを明らかにした。彼らの発見によれば、一過性脳虚血症はGluR6/PSD-95/MLK3複合体の凝集形成を招き、MLK3に自己リン酸化後を発生させた後、JNK3と相互に作用させる(18)。GluR6/PSD-95/MLK3というシグナル経路の強化とJNKの活性化は、転写因子c-junをリン酸化するとともに、Fas Lの発現をアップレギュレートし、シトクロムcの放出とCaspase-3の活性化をもたらす(19)。GluR6のアンチセンスストランド及び、GluR6C末端部分を含む膜透過性ペプチドTat-GluR6-9cは、いずれも虚血過程において細胞に対し保護作用を有している(19,20,21)。このほか、彼らはさらに、虚血損傷において、GluR6を含むアルギン酸受容体はp38MAPキナーゼの活性化に続いて起こるMAPKAPK-2のリン酸化を媒介するため、最終的に海馬CA1領域の神経細胞死を招来するということを発見した(22)。

 張光毅らのもう一つの研究によれば、GluR5に選択的に的をしぼった一種のアゴニストは、動物モデルにおいて虚血のもたらす神経細胞死に対し保護作用を有している。GluR5サブユニットを含むアルギン酸受容体の開放は、Srcチロシン部位のリン酸化を抑制し、さらにNR2A、NR2Bという2種類のNMDA受容体サブユニットのチロシン部位のリン酸化を抑制することによって、NMDA受容体の活性化を弱化する(23)。これらの研究は、アルギン酸受容体が脳虚血において重要な役割を演じている、という見解を支持するものである。

電位依存性カルシウムチャネル(VGCC)

 脳虚血は、遅延性でかつ選択性のある海馬CA1領域の神経細胞死を引き起こす。NMDA受容体は虚血性脳損傷時のカルシウム過負荷を招くキー因子である(24)。しかしながら、それは生理的状況下において神経伝達にとって極めて重要であるため、NMDA受容体を遮断しての脳虚血治療は、臨床試験において深刻な副作用を引き起こしている(14,25)。ニューロン自体の生存経路を増強することにより、脳虚血治療のもう一つの道を切り開くこができるかもしれない。電位依存性カルシウムチャネル(VGCC)は、一連のニューロンの生存に必要な遺伝子の発現を調節することができるが、ただし、NMDA受容体の過度な活性化がもたらすカルシウム過負荷は、ニューロンに対し傷害的である(26)。このことからわかるように、由来の異なるカルシウム流入がニューロンの運命に及ぼす影響は相反している。南方医科大学の高天明とその同僚らは、パッチクランプ技術を利用して、一過性脳虚血過程における海馬CA1及びCA3領域の椎体ニューロン膜上のL型電位依存性カルシウムチャネルの開放が、虚血におけるニューロンの生存経路に関与していることを検出した。彼らの発見によれば、虚血刺激の損傷に対して敏感なCA1領域ニューロンは、その上のL型VGCCの活性が虚血刺激後、持続的に抑制されており、反対に、虚血損傷に対して抵抗性を有するCA3領域ニューロンは、その膜上のL型VGCCの活性が決して虚血刺激に影響されることはない。このような活性のダウンレギュレーションは、虚血後にチャネルタンパク質が酸化されることによって起きる可能性がある。L型カルシウムチャネルを抑制すると、培養した海馬領域ニューロンの生存率を著しく低下させるのに対し、N型またはP/Q型VGCCを抑制しても、ニューロンの生存に影響することはない。これに呼応して、L型カルシウムチャネルの特異的アゴニストは、ニューロンの死亡率を著しく下げることができ、また一酸化窒素供与体によって抑制されたチャネル活性を回復させることができる。これらの結果が示しているように、活性化したL型カルシウムチャネルは、このようなニューロンを生存させるシグナルが、虚血刺激の下において特異的に抑制されている(27)。

 これらのデータは、①ニューロンの生存を保持すると虚血によるニューロン死を阻止することができる。②L型カルシウムチャネルは、虚血・再灌流後の比較的晩期の神経保護治療のターゲットとなる見込みがある、ということを示している。

過渡受容体電位チャネル(TRPC channels)

 神経回路網の形成は大脳発育の最も重要な目的の一つである。ニューロンは、シナプスという樹状突起と軸索の間の構造を通じて機能単位と互いにつながっている。回路網全体の構成過程には、ニューロンの生存と極性の形成、軸索のルート探索とシナプス形成を含む、各種の複雑にコントロールされた過程が含まれている。カルシウムイオンは発育過程におけるニューロンの生存にとって不可欠のものである。中国科学院神経科学研究所の王以政とその同僚らは、古典的な過渡受容体電位チャネル(TRPC)が、発育した中小脳顆粒細胞の生存に対し極めて重要な作用を果たしていることを発見した(28)。

 TRPタンパク質は最も早期には突然変異体ショウジョウバエの網膜中で発見されており、突然変異体ショウジョウバエの光受容体として、連続的な光刺激に対し過渡的な脱分極を呈している(29,30)。配列相同性分析によれば、TRPスーパーファミリーは少なくとも、TRPA、TRPC、TRPM、TRPN、TRPP、TRPV、TRPMLの7つのサブファミリーに分かれている。TRPCタンパク質は、最も早期に哺乳動物中で発見されたショウジョウバエTRPタンパク質の相同物である。TRPCチャネルは、そのファミリー中のサブユニットが構成するホモテトラマーまたはヘテロテトラマーによって形成されている。TRPCタンパク質サブユニットTRPC1-7のうち、TRPC2はヒト類においては偽遺伝子である(31)。TRPCチャネルはカルシウムイオンを透過できる非選択性アニオンチャネルである。チロシンキナーゼまたはGタンパク質共役受容体によって活性化されたホスホリパーゼC(PLC)は、TRPCチャネルの活性化に関与していることがすでに発見されている(32)。PLCの活性化により、細胞膜上のホスファチジルイノシトール二リン酸(PIP2)は、ジアシルグリセロール(DAG)とイノシトール三リン酸(IP3)に加水分解される。DAGとIP3はTRPCチャネルを活性化することができる(31)。王以政らはTRPCチャネルのニューロン生存過程における作用について研究した(28)。彼らの発見によれば、ラットの小脳のTRPC3またはTRPC6を特異的にノックダウンすると、小脳顆粒細胞のアポトーシスを増やすことができ、一方、このようなアポトーシスの増加は、小脳の中で過剰発現したTRPC3またはTRPC6によって救われることができる。脳由来神経栄養因子(BDNF)は、これらの神経細胞が血清除去によりアポトーシス誘導されないよう保護することができる。ただし、TRPC3またはTRPC 6の発現をダウンレギュレートし、またはそれらの正常な機能を遮断した場合、BDNFはこのような保護作用を発揮することができない。彼らはさらに、BDNFが引き起こすTRPC3及びTRPC 6のカルシウム流入は、MAPK及びCREBという古典的なニューロン生存チャネルを活性化するうえで必須であることを発見した。以上から推測できるのは、PLC及びIP3受容体という、TRPCチャネルの活性化に関与する分子を抑制またはダウンレギュレートした場合も、同様に、BDNF依存の小脳顆粒細胞に対する保護作用を抑制してしまうということである。彼らの研究は、インビボ実験とインビトロ実験の両面から、TRPCチャネルがニューロンの生存を促すという直接的証拠を提示した。

 発育過程にある中枢及び末梢神経系では、ニューロンの生存はそれが投射する標的組織の放出する神経栄養因子に依存している(33)。例えばBDNFは、小脳顆粒細胞を含む一連のニューロンの生存にとって不可欠のものである。神経栄養因子の受容体は通常チロシンキナーゼであり、チロシンキナーゼの活性化はPLCを刺激し、TRPCチャネルを活性化することができる(34)。そのため、TRPCチャネルが媒介するカルシウム流入は、神経成長因子(例えばBDNF)の神経保護作用にとって必須である可能性がある。したがって、TRPCチャネルは潜在的な細胞レセプターである可能性があり、それゆえ、細胞末梢のシグナル因子、特に栄養因子を受容することができる。

 以上を要するに、いずれもカルシウムイオンを通じて作用を発揮しているにもかかわらず、ASIC酸感受性チャネル及びアルギン酸受容体が媒介するカルシウム流入はニューロンの損傷を引き起こし、一方、L型電位依存性カルシウムチャネル及びTRPC3/6チャネルを通じてのカルシウム流入は、神経保護作用を媒介する。これらの相反する現象の背後にあるメカニズムは、現在もまだまったく分かっていない。考えられるメカニズムの一つは、さまざまなチャネルの媒介するカルシウム流入の動力学的特徴がそれぞれ異なっていること、もう一つはこれらのチャネルの下流分子がそれぞれ異なっていることである。こうした違いのせいで、イオンチャネルはニューロンの生存過程において様々な役割を演じる結果となっているのかもしれない。イオンチャネルの神経保護作用における複雑性に対する我々の理解が深まるにつれ、中国のこの方面における研究も多様化しており、ここに列挙したのは最近の中国における研究の一部にすぎない。中国政府の科学研究基金によるサポートとさらに多くの科学者たちの参加により、イオンチャネルに焦点を合わせた研究は絶えず新たな進展を遂げていくであろう。

参考文献:

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