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神経科学では、ボールアンドチェーン不活性化は、電位依存性イオンチャネルの高速不活性化メカニズムを説明するモデルです。このプロセスは、ヒンジ蓋不活性化またはN型不活性化とも呼ばれます。電位依存性イオンチャネルは、開、閉、不活性化の3つの状態をとることができます。不活性化状態は主に高速不活性化によって達成され、これによりチャネルは開状態から不活性化状態に急速に移行します。このモデルでは、安定して非伝導性の不活性化状態は、細孔の物理的な閉塞によって引き起こされると提案されています。閉塞は、膜の細胞質側にある一連の残基によってメインタンパク質に接続されたアミノ酸の「ボール」によって引き起こされます。ボールは開いたチャネルに入り、チャネル内の疎水性内部前庭に結合します。この閉塞により、イオンの流れが停止し、チャネルが不活性化されます。[1] [2]この現象は、主にカリウムチャネルとナトリウムチャネルで研究されています。[3]
発見
電気生理学的証拠
足かせと鎖による不活性化の最初の証拠は、1977年のクレイ・アームストロングとフランシスコ・ベザニージャの研究で得られました。[4] 非伝導性の物理的根拠の示唆は、イカの巨大軸索の実験から得られ、プロナーゼによる内部処理が不活性化現象を阻害することを示しました。これは、プロナーゼがチャネル遮断剤を分解し、不活性化プロセスを無効にすると推測されたため、不活性化の物理的で固定されたメカニズムを示唆しました。これらの実験では、不活性化はチャネルが開いた後にのみ発生することも示されました。これは、膜を過分極してチャネルを開き、不活性化の遅延を観察することによって行われました。膜が脱分極（閉じている）しているときは不活性化は観察されませんでした。チャネルの細胞内側にテトラエチルアンモニウム（TEA）を導入すると、非不活性化チャネルで不活性化を模倣できることがわかりました。[5] TEAによるチャネルの遮断はペプチドを介した遮断と相互排他的であり、TEAが不活性化結合部位を競合することを示唆している。[6]
分子的証拠
突然変異誘発実験により、細胞内のアミノ酸の列が孔ブロッカーの主な候補であることが特定されました。[5]カリウムチャネルのチャネルブロッキングボールを構成するアミノ酸の正確な配列は、合成ペプチドの作成によって特定されました。このペプチドは、キイロショウジョウバエのShaker ShBタンパク質の 20 アミノ酸残基の配列に基づいて構築され、アフリカツメガエル卵母 細胞の非不活性化チャネルの細胞内側に適用されました。このペプチドはチャネルの不活性化を回復させ、ボールと鎖のモデルをさらに裏付けました。β 2タンパク質では、最初のメチオニンの後の最初の 3 つの残基が不活性化に必須であることが特定されています。最初の残基には、フェニルアラニン、イソロイシン、トリプトファンの配列モチーフがあり、これらがなければ不活性化は起こりません。後続の残基を変更すると、不活性化をなくすことなく、不活性化の速度と効率が変わります。[7]
構造的証拠
最近では、アフリカツメガエル卵母細胞BKチャネルの核磁気共鳴研究により、ボールアンドチェーンドメインの構造特性がさらに明らかになった。[8]非不活性化チャネルの細胞質側にKCNMB2 βサブユニットを導入すると不活性化が回復し、ボールアンドチェーン型タンパク質の予想される挙動と一致した。NMR分析により、ボールドメインは残基1〜17と残基20〜45のチェーン領域で構成されていることが示された。中央の3つのアミノ酸は、 2つの機能領域間の柔軟なリンカー領域を構成する。ボールはβサブユニットのN末端にあり、無秩序部分（残基1〜10）と、位置11のセリンから位置16のアスパラギン酸にわたるアミノ酸ブロックによって形成されたループヘリックスモチーフで構成される。チェーンドメインの構造は、4回転アルファヘリックス構造である。
構造
ボールドメインとチェーンドメインはチャネルの細胞質側にあります。最も正確な構造研究はシェーカーカリウムチャネルで行われ、プロセスに関与する正確な残基が特定されています。N末端の最初の19アミノ酸がボールドメインを構成します。これは、11の疎水性アミノ酸、8つの親水性アミノ酸、および4つの正に帯電したアミノ酸で構成されています。[9]続く60アミノ酸がチェーンドメインを構成します。ボールのアミノ酸を化学的性質を維持しながら変更しても、不活性化メカニズムが破壊されることはありません。これは、ボールが共有結合ではなく静電結合によってチャネルを閉塞することを示唆しています。[10]構造研究により、カリウムチャネルの内孔には、これまで考えられていた中央ルートからではなく、4つのαサブユニットの細胞質ドメイン間のサイドスリットからのみアクセスできることが示されています。[11]ボールドメインは側面のスリットを通ってチャネルに入り、中央の空洞の奥深くにある結合部位に付着する。このプロセスには構造変化が伴い、ボールと鎖のブロッカーが伸長してチャネルの内側の中心に到達できるようになる。[12]
ナトリウムチャネルのIIIドメインとIVドメインの間の正に帯電した領域も同様に作用すると考えられている。[9]ナトリウムチャネルの不活性化に必須の領域は、イソロイシン、フェニルアラニン、メチオニン、スレオニン（IFMT）からなる4つのアミノ酸配列である。 [13] TとFは、チャネル孔のドッキング部位と直接相互作用する。[14]電位依存性ナトリウムチャネルが開くと、S4セグメントがチャネルから外側、細胞外側へと移動する。これにより、不活性化ボールと相互作用するS4およびS5セグメントの疎水性残基が露出する。ボールのフェニルアラニンは、 ドメインIIIのS4-S5セグメントのアラニン、およびドメインIVのS4-S5セグメントのアスパラギンと相互作用する。 [15]これは、チャネルが開いたときにのみ不活性化が起こり得る理由を説明しています。
横方向のスリットはナトリウムチャネルにも存在し、[16]ボールドメインへのアクセス経路も同様である可能性があることを示唆している。
直接不活性化と2段階不活性化には違いがある。シェーカーカリウムチャネルで起こる直接不活性化は、ボールタンパク質によるチャネルの直接的な遮断によって起こるが、 BKチャネルで起こると考えられている2段階不活性化には中間結合ステップが必要である。[17]
ボールアンドチェーン不活性化のメカニズムは、ナトリウムチャネルのβ4サブユニットの細胞内分子またはペプチド領域による電圧依存性遮断のメカニズムとも異なります。[18]これらの遮断がチャネル開口後のナトリウムチャネル不活性化に寄与すると、膜の再分極によって遮断が逆転し、再活性化電流（チャネルの遮断解除と閉鎖の間のイオンの流れ）が発生する可能性があります。[19]
不活性化防止ドメイン
カリウムチャネルのN末端には、チャネルを不活性化できないようにする追加機能があります。N型不活性化防止（NIP）ドメインはペプチドボールの効果を打ち消します。NIPドメインを含むチャネルは不活性化活性を持たないため、変異した非不活性化チャネルとして機能します。[20]結合していない合成ボールを細胞質に徐々に導入すると、最終的に不活性化が回復するため、効果は化学量論的であると考えられています。 [21]
神経発火への影響
開口と不活性化の相互作用は、チャネルを通るイオンの流れの速度と量を変化させることで、ニューロンの発火パターンを制御します。 電位依存性イオンチャネルは、細胞膜の脱分極により開口します。これにより、チャネルを通るイオンの流れによって電流が発生します。 開口後すぐに、チャネルはペプチドボールによってブロックされます。 β1サブユニットは不活性化からの回復を助け、[22] β2は不活性化を促進します。[23] βサブユニットは、ボールとチェーンドメインがチャネルに入るのをブロックすることで、それらを妨害することもできます。 これにより、イオンの継続的な流入によって引き起こされる持続電流が発生します。 β3サブユニットは、特定のナトリウムチャネルで持続電流を増加させることができます。[13]
病気への影響
持続電流と再起電流の違いは、特定のヒトの神経疾患や神経筋疾患に関係していると考えられています。てんかんでは、ナトリウムチャネル遺伝子の変異により不活性化が遅れます。これにより、チャネルがより長く開いたままになり、ニューロンの発火がより長く続きます。[24]てんかんでは、より高いレベルの持続電流が観察されます。この一定した低レベルのニューロン刺激は、この疾患に典型的な発作に関連しています。 [25]
不活化異常もブルガダ症候群に関連している。心臓ナトリウムチャネルのαサブユニットをコードする遺伝子の変異は不活化に影響を与える。これらは不活化を妨げることで持続電流を増加させるが、異なる変異は不活化速度に反対の効果をもたらす。[26]
骨格筋のαサブユニットの変異もミオトニアと関連している。ミオトニアの特徴的な筋肉の過剰興奮は、主に不活性化しないナトリウムチャネルの存在によって引き起こされ、筋肉内に高レベルの持続電流を引き起こす。[27]
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