環状ヌクレオチド依存性チャネル（かんじょうヌクレオチドいぞんせいチャネル、、略:CNGチャネル）または環状ヌクレオチド作動性チャネルはの結合により活性化するイオンチャネルである。電位依存性イオンチャネルに類似した構造であるが、膜電位への感受性は低く、また、通過するイオンも比較的非選択的でNa+やK+、Ca2+などを通過させる。脊椎動物においては視覚や嗅覚に関連していることが知られており、CNGチャネルの変異や欠失は視覚障害や嗅覚障害を起こす可能性がある。その一例として全ての錐体の機能が低下するは8割以上がCNGチャネルを原因とすることが報告されている。
歴史 CNGチャネルが環状ヌクレオチドによって活性化するということが示されたのは1985年のEvgeniy E. Fesenkoらの研究や1987年の中村整（なかむらただし）らの研究が始まりである。Fesenkoらは桿体細胞の細胞膜を流れる電流が細胞内側からcGMPを加えると上昇することを見出した。細胞内側からのcGMP追加はインサイドアウトパッチクランプ法によって行われた。中村らは嗅覚受容細胞において環状ヌクレオチドのcAMP・cGMP両方で活性化される電流を確認した。彼らはこの研究により視覚と嗅覚のメカニズムの類似性を指摘した。
cGMPはもともとを介して別のタンパク質をリン酸化するという機序が一般的であると考えられていたため、cGMPが直接的にイオンチャネルというタンパク質の一種を活性化するという事実は予想外なものであった。
種類 哺乳類のCNGチャネルを構成するサブユニットには4種類のタイプAのサブユニットCNGA1～4と2種類のタイプBのサブユニットCNGB1、CNGB3が存在する。これらのサブユニットはただ一種類のみで構成される四量体(ホモテトラマー)であることもあるが、基本的に脊椎動物においてはこれらが混合した四量体(ヘテロテトラマー)とて発現している。CNGチャネルを構成するサブユニットの中でも一種類のサブユニットのみでイオンチャネルとしての機能を発揮できるのはCNGA1～3の3種類のみで、他は補助的に働くものであると考えられている。
CNGAとCNGBの違いとして、CNBDのC末端側のロイシンジッパー構造の有無が挙げられる。CNGA1やCNGA3にはロイシンジッパー構造があるものの、CNGB1やCNGB3には無い。CNGAにおいてはロイシンジッパーの部分で三量体を形成できる。ゆえに、CNGA:CNGB=3:1のサブユニット組成が安定しているためにホモテトラマーよりヘテロテトラマーが一般的であると考えられている。桿体ではCNGA1とCNGB1の組み合わせが、錐体ではCNGA3とCNGB3の組み合わせが一般的である。また、の感覚神経細胞においてはCNGA2:CNGA4:CNGB1=2:1:1という組み合わせでCNGA:CNGB=3:1になっていると考えられている。
線虫 カエノラブディティス・エレガンスにおいてはTAX-4というCNGチャネルが発現している。TAX-4は初めてCNGチャネルの全長の構造解析が行われた例である。細菌にもCNGチャネルは存在する。レプトスピラ属菌のLeptospira licerasiaeに存在するCNGチャネルはLliKと呼ばれるが、哺乳類のCNGチャネルやTAX-4が非選択的なイオンチャネルである一方、LliKはカリウムを選択的に通過させる。また、細菌のうちスピロヘータの一種であるSpirochaeta thermophilaに存在するCNGチャネルはSthKと呼ばれ、こちらもK+選択的である。
植物においてもCNGチャネルは存在している。植物におけるCNGチャネルは環状ヌクレオチドの主な作用タンパク質であることが明らかになっている。植物における作用は植物での機能の節で取り上げて説明する。
構造 膜貫通領域
CNGチャネルの構造は電位依存性イオンチャネルと類似し、も電位依存性イオンチャネルスーパーファミリーに属する。各サブユニットは6回膜を貫通しており、膜貫通領域はN末端側からS1～S6の順に呼ばれている。S1～S4は電位センサードメイン(VSD)、S5～S6はポアドメインと呼ばれており、サブユニットが4つ集まるとポアドメイン4つが1つのポアを形成する。S5とS6の間をつなぐ部分はポアループ(P-ループ)と呼ばれ、その中にPヘリックスが存在する。
電位依存性イオンチャネルと同様、電位センサードメインのうちS4には電位センサーのために必要な正に荷電したアミノ酸残基であるアルギニンやリシンが多く含まれている。通常の電位依存性イオンチャネルではこれらの正荷電残基が外側に動くことでゲート電流が生じる。CNGチャネルにおいてもこのゲート電流が実験的に計測されたが、電位依存性カリウムチャネルが12～13eであった一方、CNGチャネルでは2e未満とかなり小さいことが示されている。CNGチャネルのS4はN末端側のS4aとC末端側のS4bという2つのらせん構造部分に分かれるが、その間に短いループ構造があり、それゆえにアルギニンを含むS4bはやや膜平面に平行な向きとなり、電位センサーが外側に動きにくくなっていると考えられている。また、S4以外の電位センサードメインであるS1・S2・S3に負荷電残基が多く、S4と塩橋を形成してしまうために動きにくくなっているのも原因の一つと考えられている。
ポアドメインには電位依存性イオンチャネルでいう選択性フィルターの外側にプロリンに富んだ配列が存在する。プロリンでは二次構造を取るときに不安定となってしまうため、機能的な柔軟性を生み出すと考えられている。ポアドメインに存在するPループにはCNGチャネルのイオン非選択性という性質に重要な選択性フィルターが含まれている。CNGA1～3ではTIGE、CNGA4ではTVGD、CNGBではTIGGとなっている。選択性フィルターの中ではCNGAチャネルでいうE(グルタミン酸)が最も狭いが、4.5～4.7Åと比較的広いので、非選択性という性質に貢献している。また、選択性フィルターより細胞外側の入り口にはグルタミン酸残基が多く、電気的な斥力により陰イオンは通りにくくなっている。
CNGチャネルにおける開閉を担うゲートはかねてより選択性フィルターの部位と考えられていたが、構造解析により選択性フィルターは開状態であろうと閉状態であろうと大して変化しないことが明らかにされた。同時に、構造解析によりS6に存在する疎水性のフェニルアラニンやバリン、イソロイシンといったアミノ酸残基が重要であることが示された。これらの残基は位置的に選択性フィルターのやや細胞内側に存在し、閉状態においてイオンを通過させなくする。更に、CNGBにおいてはより細胞内側にアルギニン残基がポアの方向へ側鎖を突出させており、これにより閉状態での陽イオンの通過をいっそう妨げている。
CNGチャネルの電位センサードメインとポアドメインの位置関係は同じサブユニットのものが隣り合っており、non-domain-swapped構造と呼ばれる。通常の電位依存性カリウムチャネルであるサブユニットの電位センサードメインに隣り合うポアドメインが隣のサブユニットのものとなっており、domain-swapped構造をとっているが、同様に後述のCNBDを持つHCNチャネルではCNGチャネルと同じnon-domain-swapped構造をとっている。
C末端細胞質領域
膜貫通ドメインの端はどちらも細胞質に伸びており、うちC末端側には環状ヌクレオチド結合ドメイン(CNBD)という環状ヌクレオチドの結合する部位が存在する。CNBDはCNGチャネルの他にもHCNチャネルや電位依存性カリウムチャネルKv10～Kv12(Kv11.1のhERGチャネルなど)にも存在する。CNBDとS6の間はCリンカーという80アミノ酸程度のペプチドでつながっている。Cリンカーはらせん構造が6回存在しており、N末端側からA',B',C',D',E',F'と名付けられている。A'とB'、C'とD'はそれぞれが互いに平行であり、あるサブユニットのA'B'は隣のサブユニットのC'D'と相互作用しているので、Cリンカー内ではdomain-swapped的である。
CNGチャネルが開口するためにはCNBDへの環状ヌクレオチドの結合とそれによって起こる構造変化によりCリンカーが膜貫通領域と相互作用することが重要である。CNBDより更にC末端側にはCヘリックスと呼ばれるらせん構造部位があり、CNBDに環状ヌクレオチドが結合するとCヘリックスがCNBDの方へ移動する。するとこの構造変化がCリンカーに伝わり、CリンカーA'B'とC'D'が対になるように構造を変化させ、膜貫通領域の方へ移動する。Cリンカーにあるアスパラギン酸と膜貫通領域のS5にあるアルギニンが塩橋を形成して相互作用するとS5の動きが更にS5とS6の間のPヘリックスと呼ばれる部分に伝達され、Pヘリックスが動いてポアを広げることでポア開口に至ると考えられている。ポア開口のためにはアミノ酸の中でも柔軟なグリシンを中心とした回転機構が考えられている。この機構は様々な変異体実験によって確かめられており、例えば、Cリンカーのアスパラギン酸とS5のアルギニンをどちらもシステインに変えて架橋すると、恒常的に開口した状態になる。
構造解析 CNGチャネルの構造解析はまず、CNBDに焦点をしぼって行われた。CNGチャネルと同様にCNBDを有するHCNチャネルでは2003年に既に構造解析がなされており、2011年になってCNGA1とCNGA3のC末端側の構造が解明された。更にクライオ電顕が普及するとCNGチャネル全長の構造決定も試みられ、2017年には線虫 カエノラブディティス・エレガンスのCNGチャネルTAX-4で全長の構造解析が行われた。その後の進歩はめざましく、環状ヌクレオチドの結合していない閉状態と結合している開状態どちらでも構造が得られたり、ホモなチャネルでなく異なるサブユニットで形成されたヘテロなチャネルでも構造解析が可能となったりしている。
機能 分子的機能 CNGチャネルは電位依存性イオンチャネルに構造的類似点があるものの、電位依存性イオンチャネルのようなイオン選択性に欠いている。例えば、アルカリ金属イオンの場合、Na+やK+に加え、Li+、Rb+、Cs+も通過させることができる。二価イオンのCa2+も通過することができるが、ポアの細胞外側にグルタミン酸残基によるCa2+結合部位があり、CNGチャネルを通る一価イオンはゆっくりとなってしまう。Cl-のような陰イオンの場合はCNGチャネルを通過できない。これは#構造の節で述べたようにポアの細胞外側に負荷電のグルタミン酸残基が豊富に存在しており、陰イオンが近づきにくくなっているためと考えられる。
CNGチャネルを開閉する機構についても電位依存性イオンチャネルと異なっている。CNGチャネルは電位依存性という性質は弱く、名前の通り、環状アデノシン一リン酸(cAMP)や環状グアノシン一リン酸(cGMP)といった環状ヌクレオチドの存在に左右される。ただし、完全に電位非依存性というわけではなく、電流測定の際に溶液の条件をNa+やK+以外に変えれば脱分極により活性化するチャネルになりうる。環状ヌクレオチドにより活性化はされるものの、活性化の途中で環状ヌクレオチドを原因に脱感作したり不活性化したりすることはない。なお、変異体実験によるとポアドメインのやや外側をアラニンやシステインに変異させると電位依存的な不活性化を示すことが分かっている。これは電位依存性カリウムチャネルにおけるC型不活性化に相当すると考えられている。
CNGチャネルの単一チャネルの研究によると、CNGチャネルの電流は開・閉の2状態だけでは表せなかった。しかし、その後の研究でCNGチャネルには補助的なサブユニットが発現していることが分かり、補助サブユニットの存在により開・閉の2状態だけでは表せないということが明らかになった。そのため、CNGA1のみから成るCNGチャネルでは開・閉の2状態で表せるような単一チャネル電流の結果が得られている。
CNGA/CNGBのヘテロマーの場合、Ca2+結合による一価イオンの通過阻害が起こりにくくなる。これはCNGAではグルタミン酸残基である部分がCNGBではグリシン残基であり、Ca2+結合がゆるくなってしまうためである。
生理的機能 CNGチャネルは多くの脊椎動物において、視覚や嗅覚に関与している。
視覚においては桿体や錐体の環状グアノシン一リン酸(cGMP)濃度が活性化に関係している。暗い環境ではcGMPが多く存在しており、CNGチャネルは開いた状態となっている。これにより、静止膜電位より微妙に脱分極した-40mV程度となっている。しかし、光を受けるとロドプシンやオプシンが構造を変化させる影響によりが活性化される。更にトランスデューシンは網膜に多いホスホジエステラーゼであるPDE6を活性化することでcGMPの分解が促進される。これにより、cGMP濃度が減少し、CNGチャネルを閉鎖することで過分極に至らしめ、光への応答を調節している。桿体ではCNGA1とCNGB1が、錐体ではCNGA3とCNGB3がCNGチャネルを形成する。
嗅覚においてはCNGチャネルは鋤鼻器では働いていないものの、嗅上皮における主嗅覚系に関与している。別の嗅覚受容体の働きで環状アデノシン一リン酸(cAMP)が上昇し、それによってCNGチャネルが開口することで膜の脱分極に寄与する。嗅覚においてはcAMP・cGMPの両方によってCNGチャネルは反応する。生理的条件下では嗅覚におけるCNGチャネルはNa+よりもCa2+優位に通過させる。嗅覚受容細胞においてはCNGA2、CNGA4、CNGB1がCNGチャネルを形成する。CNGA2を欠失させたマウスではにおい刺激に対しての反応がなく、母マウスを探す能力がないため新生児死亡率が高まったという。
嗅覚は同じ匂い刺激を受けると順応して匂い刺激を感じにくくなる。この背景にはCa2+とカルモジュリンによるCNGチャネルの阻害作用が関連していると考えられている。なお、カルモジュリン以外にPIP3によっても阻害されると考えられている。
CNGチャネルは多くの無脊椎動物において、化学感覚に関与している。
CNGチャネルは感覚系の細胞以外でも脳、腎臓、内分泌系、精子などに存在することも確認されている。しかしながら、これらの器官・組織の細胞においては発現量が少ないため、その機能はよく分かっていない。例えば、実験として精子にも発現しているCNGA3をマウスにおいて欠失させても、視覚や嗅覚の異常は見られたものの、生殖能力に影響は出なかったと報告されている。
2020年の研究により、CNGチャネルが視床下部で冷覚のセンサーとして重要である可能性が報告された。この研究では冬眠するジュウサンセンジリスと冬眠しないマウスを比較し、温度調節に視床下部のがどのように働いているかを調べている。その中で、冬眠していないマウスにおいて寒冷刺激を加えるとCNGA3が高発現することが明らかになり、CNGA3が視床下部で温度調節の根底にある機構に関与していることが示唆された。CNGA3は視索前野のニューロンである必要はなく、アフリカツメガエルの卵母細胞やHEK293細胞における異種発現でも寒冷刺激に対する反応は再現可能である。発現を調べたところ、寒冷刺激に感受性のある視索前野ニューロンも感受性のない視索前野ニューロンもCNGB1を発現しているが、CNGB3は発現していないので、CNGA3とCNGB1がヘテロマーを形成していると考えられている。
植物における機能 植物においては気孔における機能、葉緑体の発達、ジベレリン酸を介したシグナル伝達、生殖機能などといった様々な過程に関与していることが報告されている。特にこれまでに研究されているのが生殖機能の中でも花粉管の成長過程である。シロイヌナズナには20種類のCNGチャネルが知られているが、うちAtCNGC18は花粉粒でしか発現が確認されていない。AtCNGC18はCa2+を細胞内に流入させることができ、Ca2+の存在下で活性化するプロテインキナーゼと相互作用している可能性が示唆されている。AtCNGC18の一部の変異では雄性不稔（ゆうせいふねん、花粉に受粉能力がないこと）を起こすことが分かっており、AtCNGC18が花粉管の誘引に重要であることがうかがえる。
薬理学 CNGチャネルはL体かつcis型のジルチアゼムにより阻害される。細胞内側から阻害されるが、結合部位はポアに存在すると考えられている。
CNGチャネルのうちCNGB1はカルモジュリンによりCa2+依存的に脱感作を受ける。CNGB1にはN末端とC末端にそれぞれカルモジュリン結合部位が存在しており、N末端側はCaM1、C末端側はCaM2と呼ばれる。カルモジュリン側にもN末端とC末端に結合部位がある。NMRによる構造解析ではカルモジュリンのN末端結合部位はCNGB1のCaM1・CaM2どちらにでも結合できることが示されている。一方で、クライオ電顕による構造解析ではカルモジュリンのC末端結合部位がCNGB1のCaM2に結合できることが示されている。ただし、カルモジュリンのN末端結合部位はCaM1の方がCaM2よりも結合しやすいことから、カルモジュリンのN末端結合部位がCaM1に、C末端結合部位がCaM2に選択的に結合しているものと考えられている。
CNGチャネルは脂質のジアシルグリセロール、PIP2、PIP3などにより阻害されることも確認されている。
チャネロパチー CNGチャネルの関連する疾患としてがある。桿体一色覚は3つ全ての錐体の機能が不全になる、または低下する疾患である。視力の低下や色の区別不可、羞明、中心の出現、眼振の出現などを伴う。桿体一色覚の8割以上はCNGチャネルのCNGA3、CNGB3が原因と考えられている。CNGチャネルの変異は常染色体潜性遺伝の形式で遺伝する。
CNGA1の変異は網膜色素変性症を引き起こす。CNGA1は桿体に多く存在しているCNGチャネルのタイプなので、夜盲症、求心性視野狭窄といった桿体の異常を示す。CNGA1を原因とする網膜色素変性症は全体の約1%を占めており、常染色体潜性遺伝の形式で遺伝する。
CNGBはCNGAに補助的に働くサブユニットであるとの認識があるが、CNGBの欠失が重大な視覚・嗅覚障害に陥る場合がある。CNGB1を欠失させたマウスにおいては生後1年で桿体も錐体もかなり欠如し、ほとんど眼が見えなくなったと報告されている。これは実際の桿体細胞においてはCNGA1のホモテトラマーのみでは4つのサブユニットが会合できないためであると考えられている。
脚注
出典
参考文献
関連項目 電位依存性イオンチャネル - 構造がかなり似ているが、CNGチャネルには電位依存性という性質がない。 過分極活性化環状ヌクレオチド依存性チャネル - 後ろに環状ヌクレオチド依存性チャネルの名が付いているが、CNGチャネルよりも電位依存性という性質が明らかな点で異なる。 TRPチャネル - 同様に非選択的な陽イオンチャネルである。
外部リンク Cyclic Nucleotide-Gated Cation Channels - PubMed MeSH