心臓筋小胞体Ca2+Phospholambanによる取り込みの調節

1970年代初頭に、単離された心臓筋小胞体膜のリン酸化が主に低分子量タンパク質上で発生することを実証したArnold Katz(Tada et al1)によって発見が報告された。 このリンタンパク質は、リン酸を受け取ることを意味するギリシャ語の根の言葉から、phospholambanと命名されました。”1ホスホランバンは52個のアミノ酸残基からなる小さなタンパク質であり、心臓、滑らかな、および遅いけいれんの骨格筋に存在する。 しかし、その調節効果は主に心筋で研究されている。 In vitro研究では、ホスホランバンは、様々なプロテインキナーゼによって三つの異なるサイトでリン酸化することができることを示した：セリン10、プロテインキナーゼCによ23それぞれのリン酸化は、心臓筋小胞体Ca2+取り込みの初期速度の刺激と関連しており、これは主に低く発音され、Ca2+に対するCa2+ポンプの親和性45これらの観察に基づいて、リン酸化されたホスホランバンは、心臓筋小胞体Ca2+-ATPase（SERCA2）酵素の刺激剤として機能すると最初に仮説された。 しかし、1980年代後半には、脱リン酸化ホスホランバンが実際にCa2+のための心臓筋小胞体Ca2+輸送の阻害剤であり、リン酸化がこの阻害効果を緩和し、リン酸化誘発刺激の出現を与えることを示す重要なブレークスルーが発生した。6この発見は、ホスホランバンを脱リン酸することができる心臓筋小胞体関連タンパク質ホスファターゼの同定とともに、7心臓筋小胞体ca2+ATPase活性の可逆的阻害剤としてのホスホランバンの我々の現在の理解につながっている。

ホスホランバンはまた、β-アドレナリン刺激中にin situでリン酸化される。 無傷の鼓動する心臓または単離された心筋細胞の研究では、ホスホランバン中のセリン16およびスレオニン17の両方がイソプロテレノール刺激中にリン酸化されることが示されている。89ホスホランバンのリン酸化と心臓筋小胞体Ca2+取り込み率の伴う増加は、哺乳類の心臓におけるβ-アゴニストの刺激効果のために少なくとも部分的に責任があることが示唆された。

ホスホランバンの構造特性

ホスホランバンの構造は現在知られていないが、そのアミノ酸配列に基づいて、いくつかのモデルが提案されている。 一般的には、二つの主要なドメインがあることが認められています: 三つのリン酸化部位を含む親水性ドメイン（AA1-30、アミノ酸残基1-30を示す）、および心臓筋小胞体膜に固定されている疎水性ドメイン（AA31-52）。 親水性ドメインの一部は螺旋状の配置であることが示唆されており、ホスホランバンのリン酸化はこの構造配置を巻き戻したり混乱させたりする可能性がある。複数の実験室からの10証拠は心臓筋小胞体Ca2+ポンプのphospholambanの規定する効果を仲介することの親水性の範囲の重要性を示した。6111213実際には、phospholambanのAA2-18は機能修正のためのSERCA2のAA336-412および467-762と相互に作用するために提案されました。14

ホスホランバンの疎水性ドメインも螺旋構造を有することが提案されている。 いくつかの研究はphospholambanの疎水性部分は、規制効果を仲介する上でも重要であることを示唆しているが、このドメインは、心臓筋小胞体Ca2+ポンプと相互作用Α-ヘリカル膜貫通ドメイン内の1215システイン残基は、単量体形態間の非共有結合相互作用を提供し、ホスホランバンの五量体構造の安定化に寄与する。16ホスホランバンペンタマーの分析は、五量体の形成は、円筒状のイオン細孔を有する左巻きコイルコイル螺旋束のものであったことを示した。17最近の証拠は、ロイシンジッパーがホスホランバン五量体会合を安定化し、Ca2+選択的イオン移動を可能にすることができる中央イオン細孔を形成すしかし、五量体集合体が心臓筋小胞体Ｃ ａ２＋Ａｔｐアーゼの機能的調節に必須であるかどうかは、現在明らかではない。 無細胞系における発現研究は、ホスホランバンの単量体および五量体の形態がCa2+ポンプに対する調節効果を仲介するのに同様に有効であること14

ホスホランバン–Ca2+-ATPase相互作用に関する別の理論は、ホスホランバン五量体の周りのCa2+ポンプタンパク質の二量体会合を提案した。20このモデルは、時間分解燐光異方性に基づいて、Ca2+フリーポンプと脱リン酸化ホスホランバン間の優先的な相互作用を説明しました。 Phospholambanリン酸化は相互作用を不安定化し、心臓筋小胞体膜におけるCa2+-ATPaseの回転移動度の増加をもたらした。20

ホスホランバンによる基底心筋収縮の調節

ホスホランバンの基底心筋収縮の調節における役割は、最近、ホスホランバン欠損マウスの開発によって明らかにされている。21マウス胚性幹細胞における遺伝子標的化方法を用いて作成されたこれらのマウスは、増加した収縮期機能、左心室弛緩の増加率、21および強化された心室充填を含むhyperdynamic心機能を、表示しました。22ホスホランバン欠損心臓は、野生型心臓よりも速くリラックスしただけでなく、心エコー分析を用いて、作業を行う準備21とin vivoで評価された圧力開発の増加率を含む強化された変力パラメータを示しただけでなく。22これらの知見は、リンランバン欠損心臓から単離された心室心筋細胞のin vitro分析によって実証され、これはまた、再延長、短縮、およびCa2+動態の速度の23強化された収縮パラメータは、心臓筋小胞体レベルで細胞内変化を反映していた。 Ca2+のca2+ポンプの親和性が有意に増加し、これは野生型心臓と比較してホスホランバン欠損心における管腔内心臓筋小胞体Ca2+コンテンツの増加21

心臓収縮性の調節におけるホスホランバンの機能的重要性は、ホスホランバンを標的とした対立遺伝子のみを含むホスホランバンヘテロ接合マウスの研究においてさらに実証されている。24これらのマウスの心臓は、野生型マウスの心臓に存在するホスホランバンレベルの40％を発現し、この減少ホスホランバン発現は、Ca2+のための心筋小胞体Ca2+輸送系の親和性の増加と収縮パラメータの増加に関連している。 興味深いことに、野生型、ホスホランバンヘテロ接合型、およびホスホランバン欠損心臓におけるホスホランバンのレベルを、これらの心臓の収縮および弛緩の速度に対してプロットしたとき、密接な線形相関が観察され（図1）、ほ乳類心臓の基底収縮パラメータの調節におけるホスホランバンの重要な役割を示唆している。 さらに、心臓筋小胞体Ca2+ATPaseのレベルは、これらの遺伝的に変更された心臓に影響されなかったので、25これらのデータは、心臓筋小胞体Ca2+ATPaseへのホスホランバンの相対化学量論の変化を反映している可能性があるホスホランバンレベルの変化は、心臓収縮パラメータの並列変化に関連していることを示している。 しかし、心臓筋小胞体Ca2+ATPaseへのホスホランバンの機能的化学量論は現在知られていない。 In vitroでの研究では、1:5と5の間で変化する値が報告されています:1人用/2人用… ホスホランバン特異的に心臓に過剰発現トランスジェニックマウスを用いたin vivo研究では、ホスホランバン/SERCA2の”機能化学量論”は、ネイティブ心臓筋小胞体膜26これらのトランスジェニックマウスからの心臓のホスホランバンタンパク質レベルは、野生型の心と比較して二重に高かったし、増加したホスホランバン発現は、この酵素のVmaxに影響を与えることなく、Ca2+のためのCa2+-ATPase親和性の阻害の増加をもたらした。26さらに、心臓筋小胞体Ca2+ATPaseに対するホスホランバンの相対レベルを、ホスホランバン過剰発現、野生型、ホスホランバンヘテロ接合型、およびホスホランバン欠損心臓におけるCa2+-ATPaseのEC50値に対してプロットしたとき、密接な線形相関が観察された（図2）、トランスジェニック心臓における過剰発現ホスホランバンがCa2+-ATPaseに機能的に結合していたことを示している。 Phospholamban過剰発現心におけるCa2+のca2+ATPaseの親和性の低下は、野生型心臓からの筋細胞と比較して単離された心筋細胞における収縮パラメータおよびCa2+トランジェントの抑制の減少と関連していた。これらのトランスジェニックマウスからの心の26心エコー解析は、野生型マウスからの心と比較して有意に抑制された分数短縮と円周短縮を示した。26まとめると、遺伝的に改変されたマウスにおけるこれらの研究は、ホスホランバンが哺乳類の心臓における収縮および弛緩パラメータの両方の強力な抑制因子であることを示している。

心筋β-アドレナリン作動性応答性におけるホスホランバンの役割

単離された鼓動する心臓および心筋細胞における研究は、カテコールアミン投与が心臓筋小胞体におけるホスホランバンのリン酸化をもたらすことを示している、筋線維におけるホスホランバン、筋線維膜におけるホスホレンマン、およびトロポニンIおよびcタンパク質のリン酸化を示す。 しかし，ホスホランバン上のりん酸化／脱りん酸化反応の速度は他のりん蛋白質よりも速いように見え，ホスホランバンはほ乳類心臓におけるβ-アドレナリン作動性応答の顕著なメディエーターであることが示唆されている。 ホスホランバンのリン酸化は、β-アゴニスト投与中のcAMPレベルの増加に応答して、心臓筋小胞体Ca2+輸送系の活性の増加および心臓弛緩の速度の増加272829Ca2+取り込みの増加率は、増加した収縮力につながる、その後の収縮のために利用可能な増加した心臓筋小胞体Ca2+隔離レベルにつながります。 しかし、ホスホランバンは、セリン16上のcAMP依存性プロテインキナーゼによってリン酸化されるだけでなく、トレオニン17,89上のCa2+-カルモジュリンプロテインキナーゼによってもリン酸化され、β-アゴニストの変力性およびlusitropic効果における各リン酸化の相対的な寄与は現在知られていない。

β-アドレナリンシグナル伝達経路におけるホスホランバンの機能的役割は、最近、ホスホランバン欠損マウスを用いて明らかにされている。 これらのマウスから単離された筋細胞および心臓調製物におけるｉｎｖｉｔｒｏ研究は、野生型調製物と比較してイソプロテレノールの変力性およびルシトロピック効果の有意な減衰を示した。2123さらに、phospholamban切除心臓の心エコー分析を用いたin vivo研究は、β-アドレナリン作動性刺激効果も無傷の動物で減衰したことを示した。したがって、ホスホランバンは心臓β-アドレナリン作動性シグナル伝達の伝達に関与する唯一のタンパク質ではないが、これまでの実験的証拠は、それが主要なものであることを示している。 心臓のカテコールアミン刺激中のホスホランバンの機能は、アドレナリンが”戦いまたは飛行”の状況に放出されると、ホスホランバンの”ブレーキ”が緩和され、心臓収縮および弛緩の急速な増加を可能にするように、急速な心筋反応を可能にする内部の”ブレーキ機構”としてのこのタンパク質の役割を示唆している。

ホスホランバン発現の調節

ホスホランバンは、単一の遺伝子の産物であり、それは豚、鶏、マウス、およびヒトを含むいくつかの種からクローニング >これらの種の間でホスホランバン遺伝子のコード領域間に96％の相同性があり、これまでに検出されたホスホランバンのアイソフォームは30phospholamban遺伝子は、ヒト染色体6にマッピングされています。マウスにおける31の研究は、循環系に関しては、phospholambanは、心室筋における発現の高レベルから、心房および肺心筋筋における中間レベルに至るまで、および大動脈平滑筋における発現の低いが機能的に有意なレベルに至るまで、差動的に発現されることを実証している。 心室および心房区画におけるホスホランバン発現の差動レベルは、これらの筋肉の収縮パラメータの違いと相関するように見えた。32

ホスホランバンの発現は、発達および老化の間に調節されることも示されている。 心臓の発達の過程でホスホランバン発現の増加は、マウス、ニワトリ、ラット、およびウサギで観察されている。31323334さらに、老化ラット心臓におけるphospholambanリン酸化の減少は、カテコールアミン刺激に対するこれらの心臓の収縮応答の減少に関連することが示唆されている。33

心筋ホスホランバンの発現は、ラットとウサギの両方で甲状腺の状態によって調節されることも示されている。3435甲状腺機能低下症の間に、ホスホランバンmRNAレベルは、ホスホランバンタンパク質レベルがラットの心臓で増加することが判明したのに対し、ウサギの心房と心室で変更されませんでした。 ラット心臓におけるホスホランバンのこれらの上昇したレベルは、心臓筋小胞体Ca2+ポンプの阻害の増加と一致し、心臓筋小胞体Ca2+取り込みの減少率と関連していたし、収縮性を減少させた。34反対の調節効果は、甲状腺機能亢進症の間にホスホランバン発現のために観察されました。3435甲状腺機能亢進症は、ウサギ心房および心室におけるホスホランバンmRNAのレベルの低下とラット心臓におけるホスホランバン蛋白質のレベルの ホスホランバンレベルの減少は、Ca2+ポンプの脱抑制と収縮パラメータの強化と一致する心臓筋小胞体Ca2+取り込みの増加率によって反映された。

心不全の間に起こる遺伝子発現の変化の最近の調査は、sr Ca2+ATPaseに対するホスホランバンの相対比の変化がこの疾患の特徴である可能性があるこ363738しかし、phospholamban発現が心筋障害の間にどのように変化するかについては、文献内にいくつかの不一致がある。 失敗の人間の中心で行なわれるある調査は他の調査が失敗の人間の中心のphospholambanのレベルの明白な変化を観察しなかった一方phospholamban mrna37かphospholamban蛋白質、363738の減少を示39404142心不全の間にphospholambanの変化に関して論争があり続けているが、それは心臓収縮性の抑制に関連付けられている細胞内の変化は、疾患の病因におけるphospholambanの役割を示唆していることは明らかである。

概要

心臓生理学におけるホスホランバンの役割についての私たちの理解は、このタンパク質が心筋収縮性の重要な抑制因子であると理解されている点まで、過去二十年にわたって進化してきた。 Phospholambanは、Ca2+のための心臓筋小胞体Ca2+ポンプの親和性に対するその阻害効果を介して、哺乳類の心臓における弛緩および収縮の速度の両方を抑制する。 これらの阻害効果は、（1）ホスホランバンリン酸化、（2）ホスホランバン遺伝子発現のダウンレギュレーション、および（3）ホスホランバン–Ca2+-ATPase相互作用の破壊を したがって、遺伝的アプローチと心臓筋小胞体Ca2+ポンプと心筋弛緩に対するphospholamban阻害作用を緩和するために設計された薬理学的介入は、哺乳類の心 このような介入は、ホスホランバンホスファターゼを阻害し、ホスホランバンのリン酸化状態を安定化し、ホスホランバン-Ca2+-ATPase相互作用を中断し、ホスホランバン転写を減少させ、またはホスホランバンmRNAの安定性を破壊するように設計することができる。 ホスホランバンを標的とするこのような治療戦略の開発は、失敗した心臓における収縮性の臨床的改善のための重要な将来の目標となるであろう。