カルシウムスパーク

カルシウムスパークは、筋細胞内にある筋小胞体（SR）と呼ばれる貯蔵庫からのカルシウム（Ca ²⁺ ）の微視的放出である。^[1]この放出は、SRの膜内のリアノジン受容体（RyR）と呼ばれるイオンチャネルを介して起こり、活性化されると開く。^{[2]このプロセスは、}細胞内のCa ²⁺濃度を維持するのに役立つため重要である。また、骨格筋と心筋の筋収縮と平滑筋の筋弛緩を開始する。Ca ²⁺スパークは、Ca ^{2+ が}細胞内レベルでどのように使用され、局所制御と呼ばれる局所的変化^[3]と細胞全体の変化の両方を知らせるかを示しているため、生理学において重要である。

前述のように、Ca ²⁺スパークはリアノジン受容体の開口に依存しており、リアノジン受容体には 3 つのタイプがあります。

• タイプ1 – 主に骨格筋に存在
• タイプ2 – 主に心臓にみられる
• タイプ3 – 主に脳に存在

チャネルが開くと、Ca ^{2+ が}SRから細胞内に通過できるようになります。これにより、RyR周辺の局所Ca ²⁺濃度が10倍に増加します。 ^[4]カルシウムスパークは、以下で説明するように、誘発される場合と自発的に発生する場合があります。

活動電位として知られる電気インパルスは、筋細胞の細胞膜（筋形質膜）に沿って伝わります。^[5] 平滑筋細胞の筋形質膜には、ジヒドロピリジン受容体（DHPR）と呼ばれる受容体があります。しかし、骨格筋や心筋細胞では、これらの受容体はT管と呼ばれる構造内に位置し、T管は細胞内に深く浸透した細胞膜の延長です（図1を参照）。^{[6] [7]これらのDHPRは、}筋小胞体にあるリアノジン受容体の真向かいに位置しており^[8]、活動電位による活性化によりDHPRの形状が変化します。^[9]

心臓と平滑筋では、DHPRが活性化されるとイオンチャネルが形成されます。^[10]これによりCa ^2+が細胞内に入り、 RyR周辺の局所Ca ^{2+濃度が上昇します。4つのCa 2+分子がRyRに結合するとRyRが開き、SRからより多くのCa 2+}が放出されます。Ca 2+^を使用してSRからのCa ²⁺の放出を活性化するこのプロセスは、カルシウム誘発性カルシウム放出として知られています。^[11]

しかし、骨格筋ではDHPRがRyRに接触します。そのため、DHPRの形状変化は、Ca2+が最初に細胞内に流入する必要なく、RyRを直接活性化します^。これによりRyRが開き、SRからCa2 ^{+が放出されます。 [12]}

Ca ²⁺スパークは、静止状態の細胞（活動電位によって刺激されていない細胞）でも発生することがあります。これは、各細胞で毎秒約 100 回発生し^{[13] 、Ca 2+}濃度が高すぎることが原因です。SR 内の Ca ^{2+の増加は、RyR 内部の Ca 2+}感受性部位に結合してチャネルを開くと考えられています。これに加えて、カルシウム濃度が高すぎると、カルセクエストリンと呼ばれるタンパク質（SR 内にあります）が RyR から分離し、チャネルが再び開きます（詳細については筋小胞体を参照してください）。同様に、SR 内の Ca ²⁺濃度の低下も RyR の感受性を低下させることが証明されています。これは、カルセクエストリンが RyR に強く結合して RyR が開かなくなり、自発的なスパークの可能性が低下するためだと考えられています。^[14]

心臓細胞 1 つあたりに約 10,000 個のリアノジン受容体クラスターがあり、各クラスターには約 100 個のリアノジン受容体が含まれています。^[13] 1 回の自発スパーク中にSR からCa ^{2+が放出されると、Ca 2+ は} 細胞全体に拡散します。心臓の RyR は Ca ^{2+によって活性化されるため、自発スパーク中に放出された Ca 2+}の動きによって、同じクラスター内の他の隣接する RyR が活性化される可能性があります。ただし、通常、1 回のスパークに含まれるCa ^{2+は、隣接する}受容体クラスターに到達するほど十分ではありません。^{[13]ただし、カルシウムは DHPR に信号を送り、DHPR を閉じてカルシウムのさらなる流入を防ぐことができます。これは}負のフィードバックとして知られています。^[15]

細胞内のCa2 ⁺濃度の増加、またはより大きなスパークの発生により、十分な量のカルシウムが放出され、隣接するクラスターが最初のクラスターによって活性化される可能性があります。これはスパーク誘発スパーク活性化として知られており、細胞全体に広がるカルシウム放出のCa2 ^{+波につながる可能性があります。 [13]}

誘発性Ca ²⁺スパークの間、細胞全体のリアノジン受容体のすべてのクラスターがほぼ同時に活性化されます。これにより、細胞全体（局所的だけでなく）のCa ^{2+濃度が上昇し、全細胞Ca 2+}一過性変化として知られています。このCa ^{2+はその後、}トロポニンと呼ばれるタンパク質に結合し、ミオフィラメントと呼ばれるタンパク質群を介して収縮を開始します。^[16]

平滑筋細胞では、スパーク中に放出された Ca ^{2+ が筋弛緩に使用されます。これは、}活動電位に反応して DHPR を介して細胞内に入ったCa ²⁺が、筋収縮と SR からのカルシウム放出の両方を刺激するためです。スパーク中に放出されたCa ²⁺は、膜上の他の 2 つのイオン チャネルを活性化します。1 つのチャネルはカリウム イオンを細胞から排出し、もう 1 つのチャネルは塩化物イオンを細胞から排出します。このイオンの移動の結果、膜電圧はより負になります。これにより、活動電位によって生成された正の膜電位によって活性化されたDHPRが非活性化され、DHPR が閉じて細胞内への Ca ²⁺の流入が停止し、弛緩が起こります。^[17]

^{SR Ca 2+}放出が終了するメカニズムはまだ完全には解明されていません。現在の主な理論は、以下のとおりです。

この理論は、カルシウムスパーク中にカルシウムがSRから流出すると、SR内のCa ²⁺濃度が低くなりすぎることを示唆している。しかし、Ca ^{2+スパーク中の総放出量はSRの総Ca 2+}含有量と比較して少なく、研究者らは200ミリ秒以上続くスパークを生成し、「通常の」（200ミリ秒）スパーク後もSR 内に十分なCa ^{2+が残っていることを示しているため、これは自発的なスパークには当てはまらないと考えられていた。 [18]}しかし、接合部SRの局所的な枯渇は、これまで考えられていたよりもはるかに大きい可能性がある（^{[19]を参照）。しかし、電気的に誘発されたCa 2+}放出の場合と同様に、多数のリアノジン受容体が活性化されている間、 SR全体でCa ²⁺が約50％枯渇し、このメカニズムは放出の再プライミングに重要な役割を果たす。

複雑な名前にもかかわらず、この考えは、クラスター内のすべてのリアノジン受容体と関連するジヒドロピリジン受容体が偶然同時に閉じることを示唆しているだけです。これにより、SRからのカルシウム放出が妨げられるだけでなく、カルシウム放出の刺激（つまり、DHPRを通るカルシウムの流れ）も停止します。^[20]しかし、1つの細胞に多数のRyRとDHPRがあるため、この理論は非現実的であると思われます。なぜなら、それらがすべて同時に閉じる可能性は非常に低いからです。^[18]

この理論は、RyRが活性化され、その後Ca ²⁺が放出された後、チャネルが回復するために一時的に閉じることを示唆している。この間、カルシウムが存在していてもチャネルを再び開くことができない（つまり、RyRは不活性化されている）か、チャネルを再び開くことはできるが、活性化には通常よりも多くのカルシウムが必要である（つまり、RyRは適応段階にある）。これは、RyRが1つずつ閉じてスパークが終了することを意味する。^[20]

この理論は、上記の3つの理論がすべてカルシウムの放出を防ぐ役割を果たしていることを示唆している。^[21]

自発的なCa ²⁺スパークは、1992年に米国ボルチモアのメリーランド大学のジョン・レデラー研究室のピース・チェンとマーク・B・カネルによってラットの 心筋細胞で発見されました。

当初、このアイデアは科学雑誌『ネイチャー』によって却下された。ネイチャーは、火花は実験室環境でのみ存在する（つまり人工物である）ため、体内で自然に発生することはないと考えていた。しかし、火花は筋肉生理学にとって根本的に重要であり、興奮収縮連関に大きな役割を果たしていることがすぐに認識された。

この発見は、共焦点顕微鏡の改良によって可能になりました。これにより、Ca ²⁺の放出を検出できるようになり、 Ca ^{2+を光らせる}fluo-3と呼ばれる物質を使用して強調表示されました。Ca ^{2+ 「スパーク」は、Ca 2+放出の自発的で局所的な性質と、}興奮収縮連関の開始イベントであるという事実から、このように呼ばれています。

^{Ca2 +}スパークは体内でのリアノジン受容体のゲーティング特性を説明する上で重要であるため、多くの研究はCa2+スパークの検出可能性の向上に焦点を当ててきました^{[22] [23]。これは、すべてのCa2 +}スパークイベントを正確かつ確実に検出することで、その真の特性が最終的にスパーク終結の未解決の謎に答えるのに役立つことを期待しています。

• カルシウムによるカルシウム放出
• 共焦点顕微鏡
• リアノジン受容体

ソフトウェア

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