TRPM4チャネル変異に起因する遺伝性不整脈の病態形成機序の数理モデル解析

• 研究課題/領域番号: 20K07269
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分48020:生理学関連
• 研究機関: 福岡大学
• 研究代表者: 井上 隆司 福岡大学, 公私立大学の部局等, 研究特任教授 (30232573)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2020年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
• キーワード: TRPM4チャネル / 遺伝性心不整脈 / 興奮伝導障害 / 電気生理学 / 数理モデルシミュレーション / TRP channel / hereditary arrhythmia / conduction failure / electrophysiology / computer simulation

研究開始時の研究の概要

Brugada症候群等のリエントリーに起因する致死的不整脈を認める不整脈疾患の中には、しばしば房室伝導障害等の徐脈性不整脈と共通した遺伝子変異を有するものが同定されている。従って、その病態形成には、心臓興奮の生成・伝導に関わるイオンチャネルの機能喪失・亢進といった二分法的な説明では理解困難な、複雑かつ動的な時空間的相互作用の関与が強く示唆される。本研究では、電気生理学的手法と数理モデルによるシミュレーションを組みわせることによって、なぜ一見共通した遺伝子変異が複雑な臨床像を示す不整脈を引きおこしえるのか、その病態形成機序の一端を統合的に理解することを目指す。

研究実績の概要

（１）TRPM4チャネルQ854R変異体のゲーティング数理モデルを精緻化し詳細な検討を行った結果、（a）電位に依存した「閉状態→開状態」の遷移が、静止Ca2+濃度付近で既に異常に亢進しており、Ca2＋濃度増加の影響を殆ど受けないこと（すなわちCa2＋依存性の見かけ上の消失）、(b)「開状態→閉状態」の遷移は静止Ca2+濃度付近で著しく減速しており、高度なCa2＋濃度増加によって漸く正常の遷移速度に復帰すること（すなわちCa2＋感受性の見かけ上の減弱）が明らかになった。更に、TRPM4分子モデルによる構造解析から、S2-S3ヘリックス部のQ854変異で引き起こされる構造変化が、細胞質からCa2+結合ポケットへのCa2+のアクセスを促進する（すなわちTRPM4チャネルのCa2＋結合部位は静止状態のCa2＋で高度に飽和している）可能性が示唆され、これが（a）、（b）のゲーティング変化を説明する分子機序として有望であると考えられた。
（２）TRPM4変異の不整脈性評価を行うための多階層モデルの計算負荷・誤差を軽減することを究極の目的として、完全畳み込みニューラルネットワーク（FCNN）を用いた深層学習による単一細胞活動電位のシミュレーション手法の開発に着手した。予備的な結果として、Hodgkin-Huxleyタイプの活動電位を高い精度で再現することができた。（会津大学朱博士との共同研究）

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

Q854R変異体による詳細なゲーティング解析と分子構造モデルによる解析によって、その不整脈性変化を引き起こす分子基盤を推定できた。また、多数の連立微分方程式に基づいた計算負荷・誤差の大きな単一細胞活動電位モデルを、FCNNを用いた深層学習モデルによって代替するための展望が得られた。

今後の研究の推進方策

ゲーティング解析と分子構造解析から示唆された、Q854R変異による催不整脈性ゲーティング変化の分子機序を確証するため、Q854や近接するアミノ酸残基について、系統的変異の導入などによる機能解析を行う。
深層学習モデルを用いたアプローチを、既存のより包括的単一細胞モデルへと拡張する方法を探索する。

研究成果

• [雑誌論文] The Role of TRPM4 in Cardiac Electrophysiology and Arrhythmogenesis. (2023)
  • 著者名/発表者名: Yaopeng Hu, Jiehui Cang, Keizo Hiraishi, Takayuki Fujita, and Ryuji Inoue
  • 雑誌名: Int J Mol Sci. 巻: 24(14) 号: 14 ページ: 11798-11798
  • DOI: 10.3390/ijms241411798
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Critical contributions of pre-S1 shoulder and distal TRP box in DAG-activated TRPC6 channel by PIP2 regulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Mori Masayuki X.、Okada Ryo、Sakaguchi Reiko、Hase Hideharu、Imai Yuko、Polat Onur K.、Itoh Satoru G.、Okumura Hisashi、Mori Yasuo、Okamura Yasushi、Inoue Ryuji
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 1-13
  • DOI: 10.1038/s41598-022-14766-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Substantial involvement of TRPM7 inhibition in the therapeutic effect of Ophiocordyceps sinensis on pulmonary hypertension. (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiraishi K, Kurahara LH, Feng J, Yamamura A, Cui Y, Yahiro E, Yokomise H, Go T, Ishikawa K, Yokota N, Fujiwara A, Onitsuka M, Abe K, Ohga S, Satoh T, Okada Y, Yue L, Inoue R, Hirano K.
  • 雑誌名: Translational Research 巻: in press ページ: 00054-2
  • DOI: 10.1016/j.trsl.2021.03.004
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Theoretical Investigation of the Mechanism by which A Gain-of-Function Mutation of the TRPM4 Channel Causes Conduction Block (2021)
  • 著者名/発表者名: Hu Yaopeng、Li Qin、Shen Yanghua、Fujita Takayuki、Zhu Xin、Inoue Ryuji
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 22 号: 16 ページ: 8513-8513
  • DOI: 10.3390/ijms22168513
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pathological activation of CaMKII induces arrhythmogenicity through TRPM4 overactivation (2021)
  • 著者名/発表者名: Hu Yaopeng、Kaschitza Daniela Ross、Essers Maria、Arullampalam Prakash、Fujita Takayuki、Abriel Hugues、Inoue Ryuji
  • 雑誌名: Pfluegers Archiv - European Journal of Physiology 巻: 473 号: 3 ページ: 507-519
  • DOI: 10.1007/s00424-020-02507-w
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Volume-regulated chloride channel regulates cell proliferation and is involved in the possible interaction between TMEM16A and LRRC8A in human metastatic oral squamous cell carcinoma cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshimoto Shohei、Matsuda Miho、Kato Kenichi、Jimi Eijiro、Takeuchi Hiroshi、Nakano Shuji、Kajioka Shunichi、Matsuzaki Etsuko、Hirofuji Takao、Inoue Ryuji、Hirata Masato、Morita Hiromitsu
  • 雑誌名: European Journal of Pharmacology 巻: 895 ページ: 173881-173881
  • DOI: 10.1016/j.ejphar.2021.173881
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An arrhythmic mutation E7K facilitates TRPM4 channel activation via enhanced PIP2 interaction (2021)
  • 著者名/発表者名: Hu Yaopeng、Li Qin、Kurahara Lin-Hai、Shioi Narumi、Hiraishi Keizo、Fujita Takayuki、Zhu Xin、Inoue Ryuji
  • 雑誌名: Cells 巻: 10 号: 5 ページ: 983-983
  • DOI: 10.3390/cells10050983
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] SGLT2 inhibitor ipragliflozin attenuates breast cancer cell proliferation (2020)
  • 著者名/発表者名: Komatsu Shiho、Nomiyama Takashi、Numata Tomohiro、Kawanami Takako、Hamaguchi Yuriko、Iwaya Chikayo、Horikawa Tsuyoshi、Fujimura-Tanaka Yuki、Hamanoue Nobuya、Motonaga Ryoko、Tanabe Makito、Inoue Ryuji、Yanase Toshihiko、Kawanami Daiji
  • 雑誌名: Endocrine Journal 巻: 67 号: 1 ページ: 99-106
  • DOI: 10.1507/endocrj.EJ19-0428
  • NAID: 130007790952
  • ISSN: 0918-8959, 1348-4540
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Eicosapentaenoic acid ameliorates pulmonary hypertension via inhibition of tyrosine kinase Fyn (2020)
  • 著者名/発表者名: Kurahara Lin Hai、Hiraishi Keizo、Yamamura Aya、Zhang Ying、Abe Kohtaro、Yahiro Eiji、Aoki Mikiko、Koga Kaori、Yokomise Hiroyasu、Go Tetsuhiko、Ishikawa Kaori、Bo Zhang、Kishi Hiroko、Kobayashi Sei、Aoki-Shoi Narumi、Toru Satoh、Inoue Ryuji、Hirano Katsuya
  • 雑誌名: Journal of Molecular and Cellular Cardiology 巻: 148 ページ: 50
  • DOI: 10.1016/j.yjmcc.2020.08.013
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Systematical investigation on the role of TRPM4 channel in cardiac arrhythmogenicity (2024)
  • 著者名/発表者名: Yaopeng Hu, Qin Li, Keizo Hiraishi, Xin Zhu, Ryuji Inoue, Takayuki Fujita
  • 学会等名: The 101st annual meeting of the Physiological Society Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Investigations of the arrhythmogenicity caused by gain-of-function mutations of TRPM4 in Purkinje fibers (2023)
  • 著者名/発表者名: Yaopeng Hu, Qin Li, Takayuki Fujita, Xin Zhu, Ryuji Inoue
  • 学会等名: The 100th annual meeting of the Physiological Society Japan
  • 国際学会
• [学会発表] 実験と数理モデルに基づいたTRPM4チャネル変異体の徐脈性不整脈誘発機構の検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 胡 耀鵬、李 欽、沈 揚華、藤田 孝之、朱 欣、井上 隆司
  • 学会等名: 第99回日本生理学会大会
  • 国際学会
• [学会発表] 受容体作動性Caチャネルから始まったTRPチャネル研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上隆司
  • 学会等名: TRPチャネル研究会
  • 招待講演
• [学会発表] A 2D-simulation analysis of conduction failure caused by a gain-of-function mutation of TRPM4 channel. (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryuji Inoue, Yaopeng Hu
  • 学会等名: 第98回日本生理学会大会（シンポジウム）
  • 招待講演
• [学会発表] Diversity of Ca2＋entry mechanisms associated with vascular functions. (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryuji Inoue.
  • 学会等名: 第97回日本生理学会大会（教育講演）
  • 招待講演
• [学会発表] An updated overview on TRP channels involved in cardiovascular inflammatory/fibroproliferative diseases. (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryuji Inoue，Lin Kurahara H，Keizo Hiraishi，Yuanyuan Cui.
  • 学会等名: 第97回日本生理学会大会（シンポジウム）
  • 招待講演
• [学会発表] From receptor-operated Ca2+ channels to TRP channels (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryuji Inoue.
  • 学会等名: NIPS International Meeting on Cardiovascular Physiology 2020. HOLISTIC UNDERSTANDING OF CARDIOVASCULAR SYSTEM BY MECHANISTIC ANALYSIS OF PHYSIOLOGICAL AND PATHOLOGICAL CONDITIONS.(memorial lecture)
  • 招待講演
• [備考] 福岡大学医学部生理学教室
  • URL: https://www.med.fukuoka-u.ac.jp/physiol/staff.html