ATP受容体チャネルP2X2の構造と機能の状況依存的変化

Structual and Functional Dynamics of the ATP Receptor Channel P2X2

はじめに―P2X₂チャネルとは？

　脳神経系の機能の根底に，イオンチャネルや受容体といった膜機能素子の働きがあることはよく知られている。その働きは，「神経伝達物質が放出されたときに，それを受容体チャネルが受容して開口し膜電位の変化を起こす。それがトリガーとなり，膜電位依存性チャネルを活性化して活動電位が発生し，軸索末端へ向かって伝播する」と要約できることは事実で，そのため，ほとんどのことは既に明らかになっていると誤解されているようにも思える。しかし，実際にはイオンチャネルや受容体は思いがけない機能調節を受けたり，構造や機能が予想以上にダイナミックな変化を示したりと，興味は尽きない。本稿では，イオンチャネルや受容体の持つ，精妙な分子機能発揮の分子メカニズムや動的機能調節を対象とした研究の魅力を伝えたいと考えている。

　アデノシン三リン酸（adenosine 5'-triphosphate：ATP）は細胞内におけるエネルギーの“通貨”として働くが，同時に細胞外における情報伝達物質としての役割を有していることが，1960～1970年代に明らかにされた。さらに薬理学的解析の結果などに基づいて，イオンチャネル型のP2X受容体と代謝型のP2Y受容体の存在，およびそれぞれのサブタイプの存在が提唱された。1990年代になって，最初のP2X受容体，P2Y受容体の相補的DNA（complementary DNA：cDNA）が単離され，続いてそれぞれのサブタイプのcDNAも単離され，分子実態が確立した^1）。

　ATP受容体チャネルP2Xは脳機能のみならず，痛み刺激の受容，味覚の受容とシグナル伝達，血管の収縮などに重要な役割を果たしている^2，3）。その1つのサブタイプであるP2X₂チャネルは，さまざまな興味深い性質を示す。われわれも，このチャネル機能の生物物理学的解析を行い，発現密度に依存しイオン選択性などのイオンチャネルのポア（穴）の性質が変わること，リン脂質に依存してチャネル活性とイオン選択性が変わること，膜電位センサー領域を有しないにもかかわらず膜電位依存性のゲーティングを示すことなどを明らかにしてきた。本稿では，これらの知見について紹介したい。

Abstract

　ATP is known to function as a neurotransmitter.　There are 2 major families of ATP receptors-the ion channel-type P2X receptors and metabotropic P2Y receptors.　P2X receptors are known to possess unique properties of pore dilation that depends on the time lapse after ATP application; further,they exert their functions by directly interacting with nicotinic ACh receptors.　These properties suggest the flexibility of the pore formed by these receptors.　We studied the biophysical properties of P2X₂ receptor by using in vitro expression systems and focused on various dynamic regulations and structural rearrangements.　Firstly,the pore property clearly depended on the expression levels of the P2X₂ receptors on the membrane.　When the expression level was high,inward rectification was weak,and pore dilation was clearly observed.　We also clarified that the key feature of the pore property is not the number of channels expressed but the number of open channels on the membrane.　Secondly,we focused on the regulation of these channels by phosphoinositides (PIP_ns).　PIP_ns are known to regulate the activity of various ion channels,but in the case of P2X₂,we observed that PIP_ns regulate not only the activity but also the processes of pore dilation and desensitization.　The binding of PIP_ns to P2X₂ in the pore dilated state was observed to be less stable.　Application of a reagent,which decreases the levels of PIP_ns,and mutation of the binding site facilitated desensitization of P2X₂ in the pore dilated state.　Thirdly,we analyzed the voltage-dependent gating of these channels.　Although P2X₂ lacks a canonical voltage-sensor domain,it undergoes voltage-dependent activation upon hyperpolarization.　Further,we observed that the voltage-dependent gating depends on ATP concentration; conductance-voltage relationship curve shifted toward depolarization potential with increase in ATP concentration.　We found that the ATP-binding site and the extracellular sideus of the transmembrane region were critical for the voltage-dependent gating.　These results show that P2X₂ channel pore is exceptionally flexible,and that the channel activity is dynamically regulated by various factors,including not only ATP but also PIP_ns and membrane potential.