カンデル 13章
Principles of Neural Science 4th-edition
Chapter 13
セカンドメッセンジャー達の働き
Modulation of Synaptic Transmission:
Second Messengers
澤 繁実
[email protected]
Figure 13-1
全てのニューロトランスミッターreceptorは
receptorとeffectorがくっついているかど
うかにより分けることが出来る。
A. Direct gating(Ionotropic receptor)
一つの分子の中にreceptorとeffectorを
持ち、receptorは直接イオンチャネ
ルに働きかける。receptorは細胞外
側に位置している。
B. Receprots that indirectly gate ion
channes fall int tyow families.
1. Metabotropic G protein-coupled
receptors
second-messenger cascadeを起
こさせるGTP結合調節タンパク質に
よって、イオンチャネルと他の基質
を間接的に活性化させる。
2. Receptor tyrosine kinases
チロシン残基にキナーゼ自信がリン
酸化することにより、タンパクのリン
酸化反応を通じてイオンチャネル
effectorを調整する。
Figure 13-2
Gs
Adenylyl
cyclase
Gq
Figure 13-3
全てのG-proteinレセプター(GTP結
合タンパク質レセプター)は7つの部位
で構成されている。(Figure 13-3参照)
β2-アドレナリン作動性レセプターは
他のG-protein結合調節レセプターと構
造が似ている。(β1-アドレナリン作動性、
ムスカリン様ACh、ロドプシンレセプ
ターを含む。)
最も機能的なことはニューロトランス
ミッターの結合部位が脂質2重層内の
細胞外側にあることである。(Asp113)
セリン残基(Ser:Serine reside)はリン
酸化のための部位で不活性化に関係
する。
Figure 13-4
αs
アデニルシ
クラーゼ
上から順に解説
1.トランスミッターが結合しようとしている。
2.トランスミッターの結合によりレセプターの構
造が変化Gsタンパクの結合部位ができる。
3.脂質2重層内の拡散がGsタンパクをレセプ
ターに導き、GDPをGTPに置換して活性化する。
Βγsubunit
α-subunit
4.GDPのGTPへの置換が、α-subunitをGsタン
パクから分離し、α-subunitのアデニルシクラー
ゼ用結合部位ができる。
5. α-subunitは結合し、アデニルシクラーゼを活
性し、多くのcAMPを作る(エネルギーを消費)
6. α-subunitがシクラーゼから分離し、GTPが
加水分解される。そして、βγ化合物が再結合し
元のG-proteinとなる。
7.トランスミッターがレセプターあを離れるまで、
このシクラーゼの活性は繰り返される。
to Figure 13-12
Figure 13-5
アデニルシクラーゼ(adenylyl cyclase)
はATPをcAMPに変換する。酵素ホスホ
ジエステラーゼ(phosphodiesterase)は
cAMPをAMPとする。
cAMP-dependent protein kinaseは
触媒部位(catalytic subunit)と
制御部位(regulatory subunit)を持ち、
cAMPが制御部位に作用することにより、
触媒部位が切り離され、様々なタンパク
質をATPを用いてリン酸化する。
リン酸化されたタンパク質はホスファ
ターゼ(phospatase:脱リン酸酵素)によ
り脱リン酸かされ、また、タンパク質に戻
る。このようなサイクルとなっている。
Pi
Figure 13-6
R:Regulatory subunit
C:Catalytic subunit
全てのprotein kinaseは同じような方法で制御
されている。
Aについて、RとCが結合していると、触媒作用
は阻害される。
B-Dについては、同一のポリペプチドの一部にR
とCが存在し、これらは分子をほどくことにより、セ
カンドメッセンジャーと結合する。これらのアミノ酸
塩基配列はほとんど似ている。
Eについては少し違う。細胞外にRを細胞内にC
を持ち、トランスミッターやホルモン、成長因子な
どが2つの単量体レセプター(R表示部位)に結合
すると、細胞内のレセプターをリン酸化し、それが、
次の他ゲットをリン酸化したり活性化させる。
Figure 13-7
GTP:Guanosine Tri Phosphate
グアノシン3リン酸
PL:Phospholipase フォスフォリパーゼ
PLA2: フォスフォリパーゼA2
PLC: フォスフォリパーゼC
DAG:Diacyl glycerol
ジアシルグリセロール
IP3:Inositol trisphosphate
イノシトール3リン酸
Endoplasmic reticulum:小包体
細胞膜内の林脂質加水分解が3つの主要セカ
ンドメッセンジャーカスケードを引き起こす。
細胞膜内のリン脂質の加水分解により、多くの
重要なセカンドメッセンジャーが作り出される。細
胞膜内にはPIP2がある。Reseptorは
Transmitterを受け取り、G-Proteinを活性化させ、
PKCを活性化させる。
すると、その酵素は、PIP2をIP3とDAGとに分
解する。
IP3は細胞内の小包体にあるIP3レセプターと
結合し、小包体内からCa2+を放出させる。
Protein Kinase CやCa2+/calmodulin(カル
モジュリン)依存Protein Kinaseはこれらの
Ca2+を利用して、Substrate protein(基質タン
パク)とATPからリンタンパクを合成する。
Figure 13-8
4-Bromophenacyl bromide:
臭化物ブロミド
NDGA:Nordihydroguaiaretic acid
オピオイドκ受容体拮抗薬
Arachidonic acid:
アラギドン酸
Lipoxygenase:
不飽和脂肪酸酸化酵素
Cycloosygenase:
酸素添加酵素
Indomethacin:インドメタシン
非ステロイド性抗炎症薬
lipase:脂肪分解酵素
ヒスタミンレセプターより活性化された
リン脂質分解酵素PLA2により、アラギン
ドン酸が放たれる。それは酵素の助けに
より、様々な化学物質を精製する。
この部分が
PIP2
IP3となる
はここを切る
はここを切る
この部分が
アラギンドン酸
この部分が
DAGとなる。
Figure13-9
最近まで、シナプス間の伝達はプレからポストへの一方向であると考えられていたが、そう
でもない。
デンドリックスパイン側にはG-protein型のレセプターが存在し、それは膜透過性のモジュ
レーター(membrane-permeable modulator)(例えばNOなど)を作る酵素を活性化する。
membrane-permeable modulatorは隣のデンドリックスパインなどに細胞膜を経て、細胞
外から浸透し、セカンドメッセンジャーのような働きをする。
海馬の長期増強(long-term potentiation)において細胞間情報伝達が起こるということが
知られている。(この細胞間のセカンドメッセンジャー浸透が何か関係あるのであろうか・・
(私見))
Figure13-10
A.前シナプス
終末では、
K+やCa2+と
いチャネルを
制御するセカ
ンドメッセン
ジャーがあり、
後細胞の発
火に関係す
る。
C.セカンドメッセンジャーはrestingやvoltage-gatedチャネルの機能に
影響を与え、閾値、時定数、発火間隔などの電気的特性を変化させる。
B.後細胞膜
でのシナプス
ではイオン調
節レセプター
によって電位
を変化させる
セカンドメッ
センジャーが
活性化される。
Figure 13-11
同一自律神経ガングリオン
(ganglion)細胞内で速いシナプ
ス伝達と遅いシナプス伝達が起
こる。
A. postシナプスへのAchの放
出によりニコチン様Achレセプ
ターが活性し、速いEPSPが発
生する。また、ムスカリン様Ach
レセプターへのG protein結合
のため、遅いEPSPが発生する。
M-typeレセプターが作用し、Mtype K+チャネルが閉じる。する
と、K+が細胞外に出られる量が
減少し、細胞内の正味の電化は
増加するこれはセカンドメッセン
ジャー等がM-type K+チャネル
に影響を及ぼしている間続く。
Figure 13-11
B.電圧固定(voltage clamp)測定は、
voltage clampによる脱分極により記録
された電流Ikで見ることが出来る。
固定電圧をVr、テスト電圧をVtとし、1
秒間テスト電圧を掛ける。左がControl
条件下であり、右がムスカリン適応後で
ある。ムスカリンは、休止時は開いてい
るM-type K+ channelを閉じることにより
外向きのK+の流れを減少させる。Mtype K+ channelの閉鎖により、脱分極
を止めるための細胞外へのK+の流れ
は減少する。
C.遅い電圧依存性M-typeチャネルの活
性は通常、細胞膜周辺の電位差を休止
電位近づけようとする働きがある。
遅いEPSPの間は、M-typeチャネルが閉じていので、細胞は発火し活動電位を生ずる。
slowEPSP前には少々の電荷流入ならば、M-type K+チャネルの作用で発火が起きないが
(これをaccommodationという)、slowEPSPのある最中は同量の電荷流入でもK+が細胞外
に排出されにくいために発火が起こる(これをanti-accommodationという)ことがグラフより
わかる。
Figure 13-12
アメフラシの感覚ニューロンにお
いてセロトニンによって引き起こさ
れたslow synaptic actionでStype K+チャネルが閉鎖される。
A.セロトニン作動性介在ニューロ
ンは軸策終末と機械受容器感覚
ニューロンの間にシナプス結合を
作る。その感覚ニューロンは、伝
達速度が速く興奮性のグルタミン
作動シナプス結合を運動ニューロ
ンに作る。
C.セロトニンのの結合により、S-typeK+チャネルが閉鎖し、感覚ニューロンの遅
い脱分極と膜コンダクタンスの低下(膜抵抗の上昇)する。
上の線はVmを下の線はImを表し、感覚ニューロンに微小電極を差し込んで計
測した。短時間の過分極電流パルスは短時間の過分極電圧を導く。電圧応答の
大きさはOhmの法則によって膜コンダクタンスに従う。(⊿V=⊿Im/gi)膜コンダク
タンスの減少は電圧パルスの大きさを上昇させる。
Figure 13-12
代謝調節型
セロトニンレセプター
5-HT:セロトニン
(5-hidroxytryptamine)
S-type receptor:
Resting K+ serotoninsensitive channel
B.感覚ニューロンにおいて、代謝
調節型のレセプター(5-HT-R)にセ
ロトニンが結合し、Figure13-4の
要領でcAMPが発生し、PKAを通
してcAMPがATPとなり、S-type
チャネルを閉鎖する。
休止時
アクティブ時
Figure 13-13
Patch-clamp計測によるS-type K+チャネルの活動
A.セロトニン(5-HT)の結合により5つのうち3つのチャネルが閉ざされた。この実
験では、細胞外からセロトニンを与えており、細胞内からは、なにもS-type K+
チャネルに直接作用させていない。A2のグラフの縦軸は開いているSチャネル
の個数を表している。
Figure 13-13
B.感覚ニューロン内へのcAMPの直接抽入によりパッチ内の3つのSチャネルのうち3つと
も閉鎖された。
C.cAMPをATPにする触媒作用のあるPKA(cAMP依存性protein kinase)を細胞から切り
離された(cell-free)S-typeチャネルの原形質側に投与した結果、4つのうち2つのチャネル
が閉鎖された。高エネルギーであるATPをチャネルに供給するためPKAを投与した。
Figure13-14
セロトニンによっていったん閉じられたStype K+チャネルはFMRFamideによって開
く
FMRFamide:
Phe-Met-Arg-Phe-amide
Vm=Im/gi
A.アメフラシの感覚ニューロンにおいて、
ニューロペプチドのFMRFamideはアラギド
ン酸カスケードを通してS-type K+チャネル
を開放させる。12-HPETEやアラギドン酸カ
スケードについてはFigure13-8参照
B.FMRFamideは、感覚ニューロンはゆっく
りと過分極させ、膜コンダクタンスを上昇さ
せる。すると、電圧は上昇し、一連の過分極
電流パルスが計測された。
C. S-type K+チャネルとFMRFamideによ
る変化のPatch-clampによる測定。
1.FMRFamideの作用がS-typeチャネル
の開放を増加させている。
2.12-HPETEの作用も細胞から切り離さ
れた(cell-free)閉じているS-typeチャネルを
開放させた。(外側か?内側か?)
FMRFamideと12-HPETEのどちらとも
個々のチャネルが開いている時間を増加さ
せた。
Figure13-15
G proteinはセカンドメッセンジャーによらず
直接イオンチャネルを開閉させることができる。
GIRK:G protein-regulated
Inward-rectifying K+ channel
Vagal nerve stimulation:迷走神経刺激
原形質側の方がK+が高
濃度なので外に向かって
流れる
A. GIRKはムスカリン様AChレセプターによっ
て活性化される。Gi proteinはセカンドメッセ
ンジャーを生成するエフェクター(Adenylyl
cyclaseなど)には結合せず、イオンチャネル
に直接結合する。Βγsubunitはイオンチャネ
ルの原形質側に結合する。
B.アセチルコリンは代謝調節型ムスカリン様
レセプターに作用し、GIRKチャネルの活性に
よって心筋細胞を過分極する。これは心拍数
を下げる効果がある。
C. セカンドメッセンジャーによらない3つの
GIRKチャネルの活動記録をみよう。
真ん中のグラフについて、ピペットの外側か
らのAChの投与ではチャネルは活性しない。
下のグラフについて、ピペット内にAChと高
濃度K+を入れた。よってGIRKが開くとK+が
細胞内に流れ込み、グラフが下に大きく突き
出している。
K+も高濃度で入れる
Figure13-16
様々な代謝レセプターを通じるcAMPの活性化は他のAchレセプターをリン酸化
する
AChレセプターのためのリン酸化を脱感作(desensitization)と呼びます。(脱感作
とは、アレルギーの原因となる物質を体内に大量に入れて、過敏性を除去する療
法など。つまり、徐々に何かをして抵抗力を付けようということ)AChレセプターのリ
ン酸化はPKCやチロシンキナーゼの作用でも導かれる。
Figure13-16
リンタンパク脱リン
酸酵素はprotein
kinaseの活動を停
止させる
順方向と逆方向の
リン酸化はprotein
kinaseとリンタンパ
ク脱リン酸酵素に
よって制御される。リ
ン酸化の範囲や期
間は脱リン酸化酵素
の抑制によりコント
ロールされる。
cAMP依存protein
kinase(PKA)による
inhibitor-1のリン酸
化はリン酸タンパク
phosphatase-1の活
動を減少させる。
inhibitor-1のリン酸化の範囲はカルシニュリン(calcineurin),Ca2+,カルモジュリン
(calmodulin) 作動性脱リン酸酵素によって制御される。カルシウムはNMDA-typeグルタミ
ンレセプターの活動を通じて細胞内に取り込まれる。
Figure13-18
Enhancer:転写促進因子
Promoter::(DNA配列)プロモーター
ひとつのトランスミッターは短期間も
長期間でも効果を持つことができる
この例はたった一つのトランスミッ
ターとの接触でcAMPセカンドメッセ
ンジャーシステム(PKAを活性化させ
る)を活性化させる例です。この
kinaseはK+チャネルをリン酸化する。
(数分間の活動電位を派生させるK+
チャネル) 活性化の繰り返しを経て、
トランスミッターはPKAを介して、一つ
かそれ以上の遺伝子発現を引き起こ
す転写製制御タンパクを活性させる。
遺伝子活性の結果、より永続的な
数日から数週間に及ぶチャネルの閉
鎖を行うタンパク質を作り出す。
Overall View
ニューロン間の情報伝達はニューロトランスミッターの相互作用により3つのタイプ
の反応がレセプターで起こる。これらのレセプターは生物化学的なメカニズム、活
動時間、生理学的機能といったものが異なるシナプス後細胞に影響を与える。イオ
ン作動性のレセプターは活性化するとイオンチャネルを開く。これらのトランスミッ
ター作動性のチャネルはもっとも即時性があり、シナプスの活動に深い影響を与え
るが、平均で数ミリ秒の影響である。これらの即時性のある伝達は多くの運動
ニューロン感覚ニューロンに用いられている。
G protein結合レセプターやチロシンキナーゼによるより長い時間影響を与える
伝達は、セカンドメッセンジャーを用い、cAMP、リン資質水酸化物、IP3、DAG、ア
ラギドン酸などを介していた。
セカンドメッセンジャーを用いた活性は数秒から数分継続する。これらに即時性は
無いが、トランスミッター作動性の速い活性と組み合わさることにより、それを調整
するという作用もある。
これらの活動はムード、覚醒、単純な学習、記憶といった感情等と結びつけること
ができる。
最も長期間影響する活性は遺伝子転写によって数日から数週間行われる。これ
らの活性は多くの同タイプのレセプターに影響を与え、また、通常の活性やセカンド
メッセンジャーカスケードなどにも影響を与えるのだ。
Chapter 13
By Shigemi Sawa
[email protected]
Fin
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