L型Caチャネルのイオン透過機構と心臓ペースメーカー細胞の持続性内向き電流

• 研究課題/領域番号: 21K06781
• 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: 滋賀医科大学
• 研究代表者: 豊田 太 滋賀医科大学, 医学部, 助教 (90324574)
• 研究分担者: 姫野 友紀子 立命館大学, 生命科学部, 助教 (10534365)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2023年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2021年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: イオンチャネル / 心臓 / パッチクランプ / イオン透過モデル / L型カルシウムチャネル / イオン透過性 / 単一チャネル記録 / 洞房結節 / 持続性内向き電流

研究開始時の研究の概要

本研究は、L型Caチャネル（CaV1.3）のイオン選択特性を実験と理論により決定し、CaV1.3が持続性内向きNa電流（Ist）を発生する仕組みを明らかにする。また、２）その構造基盤を明らかにし、CaV1.3分子改変によるIstの特異的制御の可能性を探る。さらに、３）Istの分子機構を搭載した新しい洞房結節細胞モデルの開発を行い、この電気現象の生理的意義の理解へとつなげる。

研究実績の概要

本プロジェクトでは心臓の刺激伝導系に特異的に発現するL型カルシウムチャネルのアイソフォームCav1.3のイオン選択特性を検証し、洞房結節細胞のペースメーカー活動に関与する持続性内向きNa+電流（Ist）との関連を探ることを目的としている。これまでに、Cav1.3のNaイオン/Caイオンの競合的透過の性質を電気生理実験とカルシウムチャネル透過モデル（Almers & McCleskeyモデル）で検証し、細胞外のCa濃度に依存した少なくとも２種類の透過モードの存在が示唆された。そこで、本年度はCav1.3を異種性に発現させた培養細胞にパッチクランプ法を適用し、単一チャネル電流の記録を行い２つのモードを存在を実験的に確認することを試みた。さらにホールセルパッチクランプ実験データを用いてパラメーターを決定したAlmers & McCleskeyモデルを用いたコンピューターシミュレーションにより単一チャネル電流の再現を試みた。しかしながら、パッチクランプ実験においては、種々の細胞外Ca濃度で単一チャネル電流を安定的に記録することは極めて困難であり、依然として２つのモードを存在する決定的な証拠は得られていない。またシミュレーションで再現した単一チャネルの電流特性は、Mitsuiyeらがかつて報告しているIstの単一チャネル記録とは電気生理学的性質が明らかに異なっており、２つのモードを決定するパラメーターの再調整の必要性が考えられた。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

学内の建物改修、実験室の移動ならびに研究室の体制変更にともなう研究環境の整備に時間をとられ、期待していた実験の進行の遅れはそれほど大きくはないものの、全体としてプロジェクトの進行の遅延が余儀なくされた。

今後の研究の推進方策

実験室移転にともなう実験装置の再セットアップなど研究環境の整備を早急に行い、これまでの研究結果で明らかとなった問題点とじっくり向き合い、実験とモデル検証に時間をかけて行なっていく。具体的には単一チャネル記録をより効率的に行うため工夫を施し、より信頼性の高いデータを取得したい。また、残された１年で一区切りの成果が得られるよう、研究分担者と密に連絡をとりながらモデルパラメーターの最適化を進めて行く予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Disrupted CaV1.2 selectivity causes overlapping long QT and Brugada syndrome phenotypes in the CACNA1C-E1115K iPS cell model (2023)
  • 著者名/発表者名: Kashiwa A、Makiyama T、Kohjitani H、Maurissen T L、Ishikawa T、Yamamoto Y、Wuriyanghai Y、Gao J、Huang H、Imamura T、Aizawa T、Nishikawa M、Chonabayashi K、Mishima H、Ohno S、Toyoda F、Sato S、Yoshiura K、Takahashi K、Yoshida Y、Woltjen K、Horie M、Makita N、Kimura T
  • 雑誌名: Heart Rhythm 巻: 20 号: 1 ページ: 89-99
  • DOI: 10.1016/j.hrthm.2022.08.021
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Novel Calmodulin Variant p.E46K Associated With Severe Catecholaminergic Polymorphic Ventricular Tachycardia Produces Robust Arrhythmogenicity in Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes. (2023)
  • 著者名/発表者名: Gao J, Makiyama T, Yamamoto Y, Kobayashi T, Aoki H, Maurissen TL, Wuriyanghai Y, Kashiwa A, Imamura T, Aizawa T, Huang H, Kohjitani H, Nishikawa M, Chonabayashi K, Fukuyama M, Manabe H, Nakau K, Wada T, Kato K, Toyoda F, Yoshida Y, Makita N, Woltjen K, Ohno S, Kurebayashi N, Murayama T, Sakurai T, Horie M, Kimura T.
  • 雑誌名: Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology 巻: 16 号: 3 ページ: 9999-9999
  • DOI: 10.1161/circep.122.011387
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Propofol, an Anesthetic Agent, Inhibits HCN Channels through the Allosteric Modulation of the cAMP-Dependent Gating Mechanism (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Morihiro、Mi Xinya、Toyoda Futoshi、Kojima Akiko、Ding Wei-Guang、Fukushima Yutaka、Omatsu-Kanbe Mariko、Kitagawa Hirotoshi、Matsuura Hiroshi
  • 雑誌名: Biomolecules 巻: 12 号: 4 ページ: 570-570
  • DOI: 10.3390/biom12040570
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Editorial: Cardiac Pacemaking in Health and Disease: From Genes to Function (2022)
  • 著者名/発表者名: D’Souza Alicia、Boink Gerard J. J.、Toyoda Futoshi、Mesirca Pietro
  • 雑誌名: Frontiers in Physiology 巻: 13 ページ: 913506-913506
  • DOI: 10.3389/fphys.2022.913506
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Increased CaV1.2 late current by a CACNA1C p.R412M variant causes an atypical Timothy syndrome without syndactyly. (2022)
  • 著者名/発表者名: Ozawa J, Ohno S, Melgari D, Wang Q, Fukuyama M, Toyoda F, Makiyama T, Yoshinaga M, Suzuki H, Saitoh A, Ai T, Horie M.
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 12 号: 1 ページ: 18984-18984
  • DOI: 10.1038/s41598-022-23512-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Expression and functional maintenance of volume-regulated anion channels in myometrial smooth muscles of pregnant mice (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamada, W.G.Ding, M. Omatsu-Kanbe, F. Toyoda, S. Tsuji, D. Katsura, F. Kimura, H. Matsuura, T. Murakami.
  • 雑誌名: Experimental Animals 巻: 71 号: 2 ページ: 123-130
  • DOI: 10.1538/expanim.21-0111
  • NAID: 130008116959
  • ISSN: 0007-5124, 1341-1357, 1881-7122
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gradient-based parameter optimization method to determine membrane ionic current composition in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohjitani Hirohiko、Koda Shigeya、Himeno Yukiko、Makiyama Takeru、Yamamoto Yuta、Yoshinaga Daisuke、Wuriyanghai Yimin、Kashiwa Asami、Toyoda Futoshi、Zhang Yixin、Amano Akira、Noma Akinori、Kimura Takeshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 19110-19110
  • DOI: 10.1038/s41598-022-23398-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Selective activation of adrenoceptors potentiates IKs current in pulmonary vein cardiomyocytes through the protein kinase A and C signaling pathways (2021)
  • 著者名/発表者名: X. Mi, W. G. Ding, F. Toyoda, A. Kojima, M. Omatsu-Kanbe and H. Matsuura
  • 雑誌名: J Mol Cell Cardiol 巻: 161 ページ: 86-97
  • DOI: 10.1016/j.yjmcc.2021.08.004
  • 査読あり
• [学会発表] Allosteric gate mechanisms for retinal CNG and cardiac HCN channels (2024)
  • 著者名/発表者名: Kiritohshi M, Akiyoshi K, Matsubara Y, Shimizu M, Toyoda F, Omatsu-Kanbe M
  • 学会等名: 第101回 日本生理学会大会
• [学会発表] L型カルシウムチャネル（Cav1.3）におけるCa2+およびNa+の濃度依存性の透過モード (2023)
  • 著者名/発表者名: 豊田 太、姫野友紀子、丁 維光、尾松万里子、松浦 博
  • 学会等名: 第100回日本生理学会大会
• [学会発表] CaV1.3 L型カルシウムチャネルにおけるCa2+および Na+の競合的透過機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 豊田 太、野間昭典、姫野友紀子、丁 維光、尾松万里子、松浦 博
  • 学会等名: 第９９回日本生理学会大会