2020 Fiscal Year Research-status Report
透過イオンの「流れ」に依存するチャネルブロックの分子内機構の解明
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20K07283
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| Research Institution | Kurume University |
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Principal Investigator |
柳 圭子 (石原圭子) 久留米大学, 医学部, 准教授 (70265990)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | イオンチャネル / カリウムチャネル / 内向き整流性 / 電位依存性 / ポリアミン / ナトリウムイオン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
心臓や脳の基本的な機能に関わる内向き整流性カリウム(K+)チャネルの外向き電流が内向き電流よりも非常に小さい性質（内向き整流性）は、２～４個の正に帯電したアミノ基を持つポリアミンやMg2+などの陽イオンが膜電位が正になった際に細胞内から細胞外に向かってチャネルを透過できずチャネル内部に留まり、外向きのK+の流れをブロックするために生じると一般に説明されている。しかし、実際には細胞外のK+濃度が変化するとブロックの強さは膜電位とK+の平衡電位（EK）の差に依存して変化し、ブロックはK+の流れによって駆動されるかのように振る舞い、これは生理的に極めて重要な性質として知られている。この性質が古典的な研究によって提唱され今も信じられている様に、細胞外から進入するK+と細胞内から進入する不透過の陽イオンがチャネル内部で競合するために生じるのであれば、細胞内K+濃度の増加はポリアミンによるブロックを減らし、K+濃度の減少は逆にブロックを増やすはずであるが、実際にはその逆の変化を示すことをわれわれはすでに明らかにした。しかし詳細なメカニズムはまだ不明である。
本年度は、K+よりも小さなイオン半径をもつ細胞内の一価の陽イオンであるNa+やLi+（100 mM）によって生じる電位依存性ブロックと細胞内K+濃度との関係を詳細に解析し、Na+やLi+によって生じるブロックは細胞内K+濃度を変化させるとK+との競合によって増減することを定量的に明らかにした。Na+やLi+によるブロックの緩やかな電位依存性やK+との競合は細胞外のNa+によるブロックと極めて似ており、細胞内Na+やLi+によるブロックはイオン選択性フィルターの領域で生じることが強く示唆され、この結果からK+に対する駆動力（K+の流れ）と連動する内向き整流性を引き起こすブロックは、イオン選択性フィルターから進入する細胞外K+との競合とは異なる機序で生じることが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
われわれが本年度中に得ることができた新しい知見は、生理的な内向き整流性のメカニズムとして現時点でなお定説とされている細胞外から進入するK+と細胞内から進入しチャネル内部に親和性を持つ不透過の陽イオンの競合という古典的なスキームを否定する確実な証拠であると考えている。生理的な内向き整流性のメカニズムを解明するために、すでに次年度に向けて新たな仮説をもとにポリアミン分子のもつ疎水性の炭化水素鎖とチャネル内壁との相互作用に着目する実験を開始しており、現時点で本研究の進捗状況はおおむね良好であると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの先行研究によって生理的な内向き整流性のメカニズムとしてポリアミン分子の両端と内部に存在するアミノ基が持つ正電荷と内向き整流性K+チャネル内壁を形成するアミノ酸残基が持つ負電荷（細胞膜領域の中心腔と細胞質領域）との静電的相互作用が注目されてきた。しかし細胞外K+濃度を変化させた際に、多価の陽イオンによるブロックの電位依存性が、一価のK+との競合によって常に一様にK+の駆動力の変化分だけシフトする現象を理解するのは困難である。生理的なポリアミンであるスペルミンは４個、スペルミジンは３個、プトレッシンは２個のアミノ基（正電荷）を有する炭化水素鎖であり、これまでポリアミンによるブロックが示す急峻な膜電位依存性はこれらの正電荷の数との相関が示唆されてきたが、本研究では次年度に向けて新たに、アミノ基（正電荷）では無く、アミノ基の間を埋める疎水性の炭化水素鎖とチャネル内壁との相互作用に着目する実験を開始している。
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| Causes of Carryover |
元々は本研究費によって老朽化していたパッチクランプ増幅器（Axoclamp200B）の買い替えを希望していたために初年度（本年度）の交付額が高くなっていたのだが、当該機器が高額（４月の時点で値上がりして320万円）であり、交付額全体（330万円）に占める割合が高すぎるために購入を断念せざるを得なくなり余剰が生じた。本年度はデータ解析に必要なソフトウエアやPCの更新が新たに必要となった他、細胞培養や電気生理学実験に必要な消耗品の購入に研究費を使用し、次年度以降も引き続き消耗品や機器の購入に使用する予定である。次年度は特に二酸化炭素を吸着して変性しやすい性質を有するポリアミンを窒素充填下に正確に秤量するための装置を購入する予定である。
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