カルシウムシグナル伝達

カルシウムシグナル伝達は、カルシウムイオンをほぼ普遍的な細胞内メッセンジャーとして利用します。細胞は細胞質内の遊離カルシウムの静止濃度を非常に低く維持しているため、細胞膜を介した流入または内部貯蔵からの放出によって生成される制御された上昇は、筋収縮や分泌から遺伝子発現や細胞死に至るまでのプロセスを調節する迅速で多用途なシグナルとして機能します。

Definition

カルシウムシグナル伝達とは、細胞膜チャネルを介した流入または細胞内貯蔵からの放出によって生成される、細胞内遊離カルシウムイオン濃度の制御された変化を利用して、カルシウム結合エフェクタータンパク質を介して細胞プロセスを制御することです。

Scope

このトピックは、細胞内カルシウムの供給源と処理、カルシウムシグナルを形成するチャネル、ポンプ、バッファー、イノシトール三リン酸とカルシウム結合タンパク質の役割、およびカルシウム応答の空間的・時間的パターンを扱います。これは、シグナル伝達メカニズム内の生化学的および分子生物学的対象として扱われます。

Core questions

• 細胞は、低い静止レベルに対して、どのようにして迅速で局所的なカルシウムの上昇を生成するのでしょうか？
• 同じイオンが、これほど多くの異なるプロセスを制御するためにどのように使用されるのでしょうか？
• カルシウムシグナルは、空間的および時間的にどのように形成され、その後どのように終結するのでしょうか？

Key concepts

• 低い静止細胞質ゾルカルシウム
• イノシトール三リン酸 (IP3) 受容体
• リアノジン受容体
• 電位依存性および貯蔵作動性カルシウムチャネル
• カルシウムポンプおよび交換体
• カルモジュリンおよびカルシウム結合タンパク質
• カルシウム振動および波

Mechanisms

細胞は、細胞質ゾルの遊離カルシウムを、細胞膜を横切って、また小胞体または筋小胞体内にポンプで送り出すことによって非常に低く保っています。シグナルは、電位依存性チャネルなどの細胞膜チャネルを開くことによって、またはホスホリパーゼCによって生成されるセカンドメッセンジャーに応答して開くイノシトール三リン酸受容体とリアノジン受容体を介して内部貯蔵からカルシウムを放出することによって、カルシウムを上昇させます。結果として生じる上昇は、カルシウム結合タンパク質、特にカルモジュリンによって検出され、カルモジュリンはカルシウムに結合すると、カルシウム/カルモジュリン依存性キナーゼを含む下流の酵素を活性化します。内部貯蔵の枯渇は、貯蔵作動性カルシウム流入を誘発してそれらを補充することができます。シグナルは、放出チャネル、バッファー、および取り込みシステムの相互作用によって、過渡現象、振動、および伝播波に形成され、ポンプと交換体が低い静止濃度を回復すると終了します。この低いバックグラウンドと制御された放出の組み合わせにより、同じイオンが多くの異なるメッセージを符号化することができます。

Clinical relevance

カルシウム処理は、筋肉や神経などの興奮性組織にとって不可欠であり、カルシウムシグナル伝達の障害は、多くの疾患プロセスに関与しています。この項目は、参照レベルでメカニズムを記述するものであり、個々の診断や治療の決定の根拠となるものではありません。

Evidence & guidelines

カルシウムシグナル伝達の理解は、臨床診療ガイドラインではなく、生物物理学的、生化学的、およびイメージング研究、ならびに権威あるレビューや教科書に基づいています。

History

細胞内カルシウムの上昇が生理学的応答を引き起こすという認識は、筋収縮に関する古典的な研究から始まり、ベリッジとアーバインがイノシトール三リン酸を内部貯蔵からカルシウムを放出するセカンドメッセンジャーとして特定したときに拡大しました。その後の研究では、関与するチャネル、ポンプ、カルシウム結合タンパク質が特徴づけられ、情報符号化の手段としてのカルシウムシグナルの豊かな空間的・時間的パターンが確立されました。

Key figures

• Michael Berridge
• David Clapham
• William Catterall
• Robin Irvine

Seminal works

• berridge-2000
• berridge-1984
• clapham-2007

Frequently asked questions

細胞はなぜ静止カルシウムをこれほど低く保つのでしょうか？

静止レベルが低いということは、わずかな流入や放出でも大きな相対的変化が生じ、高速で高コントラストのシグナルが得られることを意味します。また、慢性的に高いカルシウムは毒性があり、細胞死を引き起こす可能性があるため、細胞を保護します。

1つのイオンがこれほど多くの異なる応答をどのように制御できるのでしょうか？

細胞は、カルシウム変化の位置、振幅、タイミング、および頻度に情報を符号化し、異なるカルシウム結合タンパク質でそれらを読み取ります。そのため、同じイオンが文脈に応じて、収縮、分泌、遺伝子発現、またはその他の結果を選択的に引き起こすことができます。