細胞内カルシウムとセカンドメッセンジャー

セカンドメッセンジャーは、細胞表面で受け取ったシグナルを中継し増幅する、小さな細胞内分子およびイオンです。これらのうち、カルシウムイオンは最も多機能であり、細胞は細胞質カルシウム濃度を非常に低く保ち、それを制御されたバーストで放出して、筋肉収縮から分泌に至るまで様々な応答を引き起こします。カルシウムに加えて、サイクリックAMPやイノシトール三リン酸などのメッセンジャーは、活性化された受容体からのシグナルを細胞内部に伝達します。

Definition

セカンドメッセンジャーとは、受容体活性化に応じて濃度が変化し、そのシグナルを下流のエフェクターに伝達する小さな細胞内分子またはイオンのことです。細胞内カルシウムはその中心的な例であり、安静時の細胞質レベルは低く保たれ、細胞応答を引き起こすために動員されます。

Scope

この項目では、セカンドメッセンジャーの概念、細胞内カルシウムの供給源と処理（細胞膜を介した流入と内部貯蔵からの放出）、イノシトール三リン酸とジアシルグリセロールを生成するイノシトールリン脂質経路、およびサイクリックヌクレオチドなどの他のメッセンジャーについて扱います。これは細胞生物学における参照トピックとしてセカンドメッセンジャーシグナル伝達を扱い、臨床的なガイダンスではありません。

Core questions

• なぜ細胞は安静時に細胞質カルシウムをこれほど低く保つのでしょうか？
• シグナル伝達に使われるカルシウムはどこから供給され、どのように放出されるのでしょうか？
• イノシトール三リン酸はどのようにして表面受容体とカルシウム放出を結びつけるのでしょうか？
• カルシウムおよび他のセカンドメッセンジャーシグナルは、空間的および時間的にどのように形成されるのでしょうか？

Key concepts

• セカンドメッセンジャーの概念
• 低い安静時細胞質カルシウム濃度
• 細胞膜を介したカルシウム流入
• 内部貯蔵からのカルシウム放出
• イノシトール三リン酸とジアシルグリセロール
• サイクリックヌクレオチド（cAMP、cGMP）
• カルシウムシグナルの空間的および時間的パターン形成

Key theories

イノシトール三リン酸（IP3）シグナル伝達経路

受容体によるホスホリパーゼCの活性化は、膜リン脂質をIP3とジアシルグリセロールに切断します。IP3は小胞体に拡散し、カルシウム放出チャネルを開き、表面シグナルと細胞質カルシウムの上昇を結びつけます。

Mechanisms

細胞は、ポンプや交換体によって細胞質カルシウム濃度を細胞外および貯蔵レベルよりもはるかに低く維持し、シグナル伝達に利用できる急峻な勾配を作り出しています。刺激が到達すると、カルシウムは細胞膜チャネルを介して流入するか、主に小胞体（筋肉では筋小胞体）などの内部貯蔵から放出されます。主要な放出経路は、受容体がホスホリパーゼCを活性化することから始まり、これにより膜リン脂質がイノシトール三リン酸（IP3）とジアシルグリセロールに切断されます。IP3は小胞体のカルシウム放出チャネルを開き、ジアシルグリセロールはプロテインキナーゼCを活性化します。結果として生じるカルシウムの上昇はエフェクタータンパク質に結合して応答を引き起こし、そのタイミングと位置が情報を符号化する一過性のスパイク、波、または振動として形成されます。他のセカンドメッセンジャー、特に異なる受容体の下流で生成されるサイクリックAMPおよびサイクリックGMPは、並行してシグナルを伝達します。シグナルは、カルシウムを貯蔵庫に戻すか細胞外に排出するポンプ作用と、サイクリックヌクレオチドの分解によって終結し、システムをリセットします。

Clinical relevance

カルシウムおよびセカンドメッセンジャーのシグナル伝達は、筋肉収縮、神経伝達物質およびホルモン分泌、遺伝子発現応答などの基本的な生理機能の根底にあるため、それらを理解することは、健康と疾患における多くの細胞プロセスを解釈するための基礎となります。この項目は、シグナル伝達メカニズムを参照のために記述するものであり、診断や治療の根拠となるものではありません。

History

セカンドメッセンジャーの概念は、20世紀半ばにサイクリックAMPがホルモン作用の細胞内中継物質として発見されたことに端を発します。その後、カルシウムがほぼ普遍的な細胞内シグナルとして認識され、1980年代から1990年代にかけてイノシトールリン脂質経路が解明され、IP3が内部貯蔵からカルシウムを放出するメッセンジャーとして特定されました。その後の研究では、カルシウムシグナルの空間的および時間的パターン（スパイク、波、振動）が、異なる応答を符号化する手段として強調されました。

Key figures

• Michael J. Berridge
• Robin F. Irvine

Seminal works

• berridge-2000
• berridge-irvine-1993

Frequently asked questions

セカンドメッセンジャーとは何ですか？

セカンドメッセンジャーとは、カルシウム、サイクリックAMP、イノシトール三リン酸などの小さな細胞内分子またはイオンで、受容体が活性化された後にそのレベルが変化し、シグナルを細胞内のエフェクターに伝達するものです。

なぜ細胞は細胞質カルシウムをこれほど低く保つのでしょうか？

安静時の細胞質カルシウムを非常に低く保つことで、細胞外空間および内部貯蔵との間に急峻な勾配が作られ、カルシウムチャネルが開くと、正確なシグナルとして機能する迅速で急激な上昇が生じます。