P型カルシウムチャネル

P型カルシウムチャネルは、電位依存性カルシウムチャネルの一種です。他の多くの高電位依存性カルシウムチャネルと同様に、α1サブユニットがチャネルの特性のほとんどを決定します。^[1]「P」は小脳プルキンエ細胞を意味し、チャネルが最初に発見された場所を示しています。^{[2] [3]} P型カルシウムチャネルは、シナプス前終末での神経伝達物質の放出や、多くのニューロンタイプにおけるニューロン統合において、 N型カルシウムチャネルと同様の役割を果たします。

P型カルシウムチャネルの発見につながったカルシウムチャネル実験は、 1980年にリナスと杉森によって最初に完了しました。 ^{[2] P型カルシウムチャネルは、哺乳類の}プルキンエ細胞内で発見されたため、1989年に命名されました。^{[3]彼らは、プルキンエ細胞の}電気生理学的特性を説明するイオン電流を試験管内標本を使用して調べることができました。彼らは、ゆっくりと上昇し、急速に下降した後、過分極を起こすカルシウム依存性活動電位があることを発見しました。活動電位は電圧依存性であり、過分極後の電位は、プルキンエ細胞の樹状突起内にあるスパイクバーストに関連していました。プルキンエ細胞にカルシウムの流れがなければ、活動電位は高頻度で散発的に発火します。^[2]

P型カルシウムチャネルは、L型、N型、Q型、R型チャネルとともに高電圧活性化クラスチャネルに分類される電圧依存性カルシウムチャネルです。これらのチャネルが活性化されるには、強い脱分極が必要です。これらは、中枢神経系および末梢神経系内のニューロンの軸索末端および細胞体樹状突起領域に存在します。^{[1] P型カルシウムチャネルは、}興奮性シナプスおよび抑制性シナプスのシナプス末端における小胞、特に神経伝達物質とホルモンの^放出にも重要です。^[1]

電位依存性P型カルシウムチャネルは、主要な孔形成α1サブユニット（より具体的にはCaV2.1と呼ばれる）^[5] 、 α2δサブユニット、およびβサブユニットからなる。骨格筋のカルシウムチャネルにはγサブユニットが存在する可能性がある。^[6] α1サブユニットはCACNA1A遺伝子^[1]によって特異的にコードされ、4つのドメインで構成され、各ドメインには6つの膜貫通型（S1-S6）のαヘリックスが含まれる。S1-S2ループとS6領域はチャネルの不活性化に関与していると考えられている。S4領域は電圧センサーとして機能し、S5-S6ループは孔を形成する。^[4] α1サブユニットには7つのサブユニットがある。α1ACa2+と呼ばれるAサブユニットは、機能的にP型およびQ型アイソフォームとして定義されるものに対応する。 P型およびQ型カルシウムチャネルは、選択的スプライシングによって同じ遺伝子から生成されるため、密接に関連しています。選択的スプライシングの複雑さにより、P型チャネルとQ型チャネルは異なるサブユニット構成を持つ場合があります。^[6] βサブユニットは、α2δサブユニットとともに、チャネルの動態と発現を制御します。^[1]

P型カルシウムチャネルの大部分は神経系と心臓に位置している。抗体標識はチャネルの位置を特定するために用いられる主な方法である。^[7]

哺乳類システムで高発現する領域には以下が含まれます。

• プルキンエ細胞の樹状突起^[8]
• 滑面小胞体
• 細胞膜
• 嗅球の糸球体周囲細胞
• 小脳皮質
• 脳幹、嗅内皮質、梨状皮質、手綱核のニューロン。^[7]

P 型カルシウム チャネル ブロッカーは、カルシウムの流れを阻害する働きをします。カルシウムの流れが遮断されると、生物の機能と生存能力が損なわれる可能性があります。これらの影響は、以下のセクションで詳しく説明するさまざまな病気を引き起こす可能性があります。

P 型カルシウム チャネルの孔は、次の 3 つのグループに分類できる化合物に対して敏感です。

1. ペプチドイオンチャネル遮断薬
2. 低分子量化合物
3. 治療薬^[1]

P型チャネルを選択的に遮断するペプチド毒素は、ω-アガトキシンIVAとω-アガトキシンIVBの2つだけです。低分子量遮断薬や治療用遮断薬など、他の遮断薬は非選択的です。つまり、P型チャネルだけでなく他のチャネルにも作用します。^[1]

P型カルシウムチャネルに特異的な2つの既知の遮断薬は、クモの毒Agelenopsis apertaから抽出されたペプチドである。この毒から抽出されたP型チャネル選択性を示す毒素は、ω-アガトキシンIVAとω-アガトキシンIVBである。これらのペプチド毒素はそれぞれ、 4つのジスルフィド結合で結合した48個のアミノ酸からできている。ω-アガトキシンIVAとω-アガトキシンIVBはP型チャネルに対して同じ親和性と選択性を持っているが、その動態は異なっている。ω-アガトキシンIVAはP型チャネルのゲーティング機構に影響を及ぼす。チャネルを活性化する強い脱分極があると、ω-アガトキシンIVAはチャネルを遮断できなくなる。そのため、ω-アガトキシンIVAは、チャネルが開いているときはチャネルに対する親和性が非常に低い。これは、細孔の外側のα1Aサブユニット_に結合します。 P型チャネル上のω-アガトキシンIVA受容体はS3-S4リンカーに位置している。一方、ω-アガトキシンIVBによるチャネル遮断ははるかにゆっくりと起こる。しかし、ω-アガトキシンIVAと同様に、ω-アガトキシンIVBは強い脱分極時にはチャネルに結合することができない。^[1]

• ω-グラモトキシン SIA は、クモGrammostola spatulataの毒から抽出されたペプチド毒素で、P 型チャネルのゲーティングを変更する働きがあります。
• ω-PnTx3-3、PnTx3-3、およびフォネトキシンIIAは、すべてクモPhonoetrica nigriventer由来の毒素であり、P型カルシウムチャネルを通る電流を遮断する働きがあります。
• DW13.3 は、フィリスタタ・ヒベルナリスというクモから得られるペプチド毒素で、74 個のアミノ酸で構成されています。また、P 型カルシウム チャネルを通る電流を遮断する働きもあります。
• ω-コノトキシンはイモガイの毒から抽出されます。ω-コノトキシン MVIIC は海馬CA1錐体ニューロン内で作用し、P 型チャネルをブロックします。また、海馬 CA3 ニューロン内では、この毒素がシナプス伝達をブロックします。その効果は緩やかです。
• カルシクルジンは、グリーンマンバであるDendroaspis angusticepsの毒から抽出されたものです。電圧依存的に P 型チャネルをブロックする能力があります。
• クロトキシンはサソリ パラブトゥスの毒から抽出されます。視床のニューロンでは、クロトキシンは高閾値カルシウム電流を減少させますが、プルキンエ細胞ではカルシウム電流を増加させます。^[1]

低分子量チャネル遮断薬は、医薬品開発においてペプチド遮断薬よりも有利である。低分子量チャネル遮断薬の利点の1つは、組織に浸透できることであり、これは血液脳関門を通過するために重要である。P型チャネルに特異的な低分子量チャネル遮断薬はない。しかし、P型チャネルの活性に影響を与える遮断化合物は数多く存在する。^[1]これらには以下が含まれる。

• ロスコビチンはサイクリン依存性キナーゼの阻害剤です。この薬は、カルシウムチャネルの不活性化を遅らせることで、新線条体 介在ニューロンのカルシウム電流を増加させます。また、ロスコビチンはシナプス前膜の P 型カルシウムチャネルのアゴニストまたはアンタゴニストとして作用します。
• イソプレナリンはβアドレナリン受容体作動薬であり、P型カルシウムチャネル電流の増加を引き起こします。イソプレナリンはcAMPシグナル伝達経路を介して作用します。
• エリプロジルとアンタゾリンはNMDA 受容体拮抗薬であり、P 型チャネルを遮断する働きがあります。エリプロジルは小脳のプルキンエ細胞における P 型チャネル電流を減少させます。
• ドデシルアミンは、P 型チャネルが開いた状態の場合にのみ、P 型チャネルをブロックできます。
• エタノールは高濃度になるとP型チャネルをブロックする可能性がある。P型チャネルのブロックは飲酒時の運動失調の原因となる可能性がある。^[1]

臨床的に使用されている治療薬の中には、P型カルシウムチャネルの活性に影響を与えるものがあります。しかし、これらの治療薬の主な標的はP型チャネルではないと考えられています。たとえば、冠状動脈性心疾患、高血圧、不整脈の治療に使用されるカルシウム拮抗薬は、 L型またはT型カルシウムチャネルを阻害することによって作用します。これらのカルシウム拮抗薬には、ベラパミル、ジルチアゼム、アムロジピン、ベニジピン、シルニジピン、ニカルジピン、バルニジピンなどがあります。これらのカルシウム拮抗薬の主な標的はP型チャネルではありませんが、P型チャネルの機能を阻害する働きもあります。また、フルナリジンは片頭痛の治療に使用される別のカルシウム拮抗薬です。その主な標的は、電位依存性カルシウムチャネルとナトリウムチャネルです。フルナリジンは、大脳新皮質スライスにあるP型チャネルを阻害します。この薬はカルシウムの流入を阻害する働きがあります。この薬が予防に役立つ片頭痛は、P型チャネルサブユニットの「cacna1a」遺伝子内の変異によるものです。また、P型チャネルを遮断する化合物は発作にも効果があることが示されています。てんかん発作は神経伝達の増加によって引き起こされますが、これは部分的にP型チャネルの結果です。レベチラセタム、ラモトリギン、カルバマゼピンなどの化合物はP型チャネルを遮断することが知られており、発作の発生を減らすのに役立ちます。全体として、高血圧、統合失調症、不整脈、てんかん、痛み、喘息、徐脈、狭心症、アルツハイマー病の症状を緩和するのに役立つさまざまな非選択的カルシウムチャネル遮断薬があります。多くの治療化合物の主な標的はP型チャネルではないが、これらの化合物の臨床効果がP型チャネルの閉塞によっても影響を受けるかどうかについては、さらなる研究が必要である。^[1]

P/Q型チャネルの機能不全や変異に起因する神経疾患は数多くある。 ^[6]

アルツハイマー病では、脳内にβアミロイドタンパク質（Aβ）が徐々に蓄積します。アミロイドプラークが形成され、アルツハイマー病の主な症状を引き起こします。Aβグロブロマータンパク質は、体内に存在するAβオリゴマーと同様の特性を持つ、研究実験に使用される人工物質です。Aβオリゴマーは、P/Q型カルシウムチャネルを直接制御します。α1Aサブユニットは、カルシウム電流の伝導を担っています。P/Q型カルシウムチャネルのみがAβグロブロマータンパク質とともに存在する場合、α1Aサブユニットに直接影響し、P/Q型カルシウムチャネルを通るカルシウム電流が増加します。反応は用量依存的で、アフリカツメガエル卵母細胞内のチャネルを通るカルシウム電流を大幅に増加させるには、20nMおよび200nMのAβグロブロマーの濃度が必要であり、効果が現れるまでにAβグロブロマーがある程度蓄積する必要があることを示しています。カルシウム電流が増加すると神経伝達物質の放出も増加し、アルツハイマー病患者の毒性の原因となる可能性がある。^[9]

CACNA1A遺伝子は、 P /Q型カルシウムチャネルのαサブユニットをコードしています。 ^[10] CACNA1A遺伝子のR192Q変異は、 P2X3受容体の機能獲得変異です。 ^{[5] [10] P2X3受容体は}三叉神経節ニューロンに存在し^{[5] 、}家族性片麻痺性片頭痛の主な原因であると考えられています。^[11]ノックイン実験を使用することで、この変異をマウスで発現させ、研究を行うことができます。^{[5] [10]}変異マウスは、チャネル開口確率の増加と低電圧でのチャネル活性化により、野生型マウスよりもP2X3受容体の活性が著しく高くなっています^{[5] 。 [10]}この受容体活性の増加により、P/Q型カルシウムチャネルを通るカルシウムの流量が増加します。細胞内カルシウム濃度の上昇は、典型的には頭痛を引き起こす急性三叉神経痛に寄与している可能性があります。^[5]片頭痛は皮質の興奮性・抑制性バランスの調節不全を特徴とする脳興奮性の障害である という証拠がある。 ^[10]

レベチラセタムは、部分発作および全般発作の治療に使用できる抗てんかん薬です。レベチラセタムは、P/Qチャネルを介したグルタミン酸放出を阻害し、海馬、特に発作活動を伝播することが知られている歯状回のAMPA受容体とNMDA受容体の両方の興奮性シナプス後電流を減少させます。グルタミン酸放出の阻害は、興奮性シナプス後電流を減少させるため、患者に抗てんかん反応をもたらします。カルシウムチャネルには多くの異なるタイプがあるため、P/Q型カルシウムチャネルが直接関与していることを証明するために、P/Q型電位依存性カルシウムチャネル阻害剤であるオメガアガトキシンTKを使用してチャネルを遮断しました。遮断されると、患者は薬の抗てんかん効果の恩恵を受けなくなりました。L型およびN型カルシウムチャネルの遮断薬を使用した場合、レベチラセタムの効果は依然として見られました。これは、P/Q型カルシウムチャネルがレベチラセタム治療に関与し、発作を軽減するという強力な証拠です。^[12]

P型カルシウムチャネルの変異の多くは、細胞内の遊離カルシウム濃度の低下を引き起こします。カルシウム恒常性の維持は、ニューロンが正常に機能するために不可欠です。細胞内のカルシウムイオン濃度の変化は、さまざまな疾患の引き金となり、重篤な場合には大量のニューロン死につながる可能性があります。^[6]

突然変異研究により、遺伝的に受け継がれるチャネル病を研究することができます。チャネル病とは、機能不全のサブユニットまたは調節タンパク質を持つイオンチャネルに起因する疾患です。^[6] P型カルシウムチャネルチャネル病の一例は、tottering遺伝子とleaner遺伝子の両方が劣性であるホモ接合性運動失調マウスで見られます。これらのマウスは、P/Q型チャネルのα1Aサブユニットに突然変異を呈しています。これらのチャネルの突然変異により、小脳プルキンエ細胞に欠陥が生じ、チャネルの電流密度が劇的に減少します。^[6]

マウスのよろめき変異はミスセンス変異に起因し、発作や運動失調の発症が遅れる。よろめき変異は、チャネルのP領域内のロイシンの代わりに単一のプロリンを置換する。P領域はイオンチャネル孔の形成を担う。よろめき変異よりも重篤な症状を引き起こすリーナー変異は、チャネルのオープンリーディングフレーム内でスプライシングの失敗を引き起こす単一のヌクレオチド置換に起因することが示されている。^[6] P型カルシウムチャネルの孔形成サブユニットの変異は、分時換気量を減少させ、無気肺に関連する症状を引き起こすことで、運動失調、つまり呼吸の重篤な変化を引き起こす。Ca _V 2.1の変異は、呼吸の調節を助ける脳幹の介在ニューロンのクラスターであるプレボッツィンガー複合体内の伝達にも影響を及ぼすことがわかっている。 ^[5]

• Ca _v 2.1
• 電位依存性カルシウムチャネル