Simulation and analysis of SERCA repression in cardiac cell

2007年度森基金報告書

心筋細胞モデルを用いたSERCA活性低下時のCa^２＋動態の解析

政策・メディア研究科博士課程

米田　元洋 (moto@sfc.keio.ac.jp)

概要:

分子生物学における最近の進歩は、我々が分子レベルで多くの側面で心不全の患者の状態データを理解することができる。心不全で起こっている心筋細胞の主な分子現象の1つがカルシウムサイクリングに関することである。心不全はSERCAの発現量の減少と関係していることを知られている。カルシウム電流が心不全で変わらないにもかかわらず、カルシウムトランジェントと筋収縮は減少する。心不全で心筋細胞のSERCAの効果を定量的に理解するためには、SERCAの発現量が変わるときのデータを解析することが理想的である。しかし、本物の細胞で、SERCA の発現量が抑制されたときには他のイオンチャネルが応えて増加する。そして、それはSERCA抑制の効果を補償する。そこで、in vivo やin vitro実験だけによって心不全についてSERCAの効果を理解することは難しい。この問題を解決するために、in silico実験で検証を行うことにした。心筋細胞心室筋モデルの安定状態からSERCA活性を低下させた直後から系が再び安定するまでのデータを用いての解析を行った。心室筋細胞の活動電位の０相から４相までの各相でSERCAの活性が突然低下しその後活性が安定すると仮定したときの細胞内動態を観察し、正常細胞と比較することを行った。その結果相毎に変化し始める順序が異なっていることがわかった。

心臓の主な機能はポンプ活動により全身へ血液を規則的に送り出すことである。心臓の収縮活動は洞房結節から開始し、心房などを経て、心室まで決まった順番で行われる。これは主に各心筋細胞の電気活動と細胞間の電気伝導による。心筋細胞の電気活動の１つに興奮収縮連関があり、これは心筋細胞内Ca²⁺濃度と関係が深い。

心筋細胞内のCa²⁺濃度と心筋収縮の関係は以下のようになっている。まず脱分極によりCa²⁺ チャネルが活性化すると細胞外から Ca²⁺が流入し、細胞内Ca²⁺濃度が増加する。また、脱分極の際にNa⁺ チャネルから流入したNa⁺を細胞外へ汲み出すためにNa⁺/ Ca²⁺交換機構が働く。NCXにより Ca²⁺が細胞内へ取り込まれるので、さらに細胞内Ca²⁺濃度は上昇する。これをきっかけとしてリアノジン受容体が活性化し細胞内 Ca²⁺の貯蔵庫である筋小胞体からCa²⁺が細胞内に大量に流入する。この結果心筋が収縮する。心筋収縮において細胞内Ca²⁺濃度が一過的に上昇することをCa²⁺トランジェントという。増加した Ca²⁺はその後NCX により細胞外へ汲み出され、同時に筋小胞体のCa²⁺ポンプ(SERCA)により筋小胞体内へも取り込まれる。この結果、再び心筋は弛緩する。

心不全時の心筋細胞内ではSERCAタンパク質の量が減少していることが観察されていたが、心不全という状態によりSERCAの量が減少しているのか、逆にSERCAの減少が心不全を引き起こすのかという因果関係については不明だった。

近年トランスジェニックマウスを用いた研究により、SERCAを増加させると心不全が回復し、減少させると心不全に陥ることが発見され、SERCAの減少は心不全を引き起こす原因となっている可能性が示唆された。この実験によると、SERCAを減少させたマウスでは心筋の収縮および弛緩能が低下し、細胞内Ca²⁺トランジェントが低下する。しかし、SERCAの減少がCa²⁺トランジェントの低下をもたらす過程は証明されていない。

本研究ではSERCAの減少とCa²⁺トランジェント低下の関係を定量的に説明するために、心筋細胞の電気生理学的モデルを用いてSERCAの減少による心筋細胞の電気生理学的な状態の変化を観察し、SERCA活性の低下度合いによりその影響を受けるものには明確な違いはない。

心筋細胞心室筋モデルの安定状態からSERCA活性を低下させた直後から系が再び安定するまでのデータを用いての解析を行った。心室筋細胞の活動電位の０相から４相までの各相でSERCAの活性が突然低下しその後活性が安定すると仮定したときの細胞内動態を観察し正常細胞と比較することを行った。その結果、相毎に変化し始める順序が異なっていることがわかった。

Ca²⁺濃度の変化はまず細胞質内のCa²⁺濃度が変化し始め、次に筋小胞体のUptakeサイトのCa²⁺濃度が変化し、その後トロポニンと結合したCa²⁺が変化し、最後に筋小胞体の ReleaseサイトのCa²⁺の濃度が変化をし始める。サルコメア長は初期設定の場合と異なる数値になるものの中で比較的後の方であった。

またSERCAは筋小胞体へのCa²⁺の取り込みにATPが必要なため、ATPと ADPの変化の時間が早く、ATP感受性K⁺チャネルはATPと関連があるためこのチャネル電流も変化する時間がSERCAの活性を低下させてから早い段階であった。

SERCAの活性を５つの時点で変化させたが、３つの時点で低下させた場合はその時点で変化させなかった場合と比べてiCaLは絶対値がより大きい負の値をとっており、残りの２つの場合は負の値ではあるがその値はより０に近い値をとっていた。

Motohiro Yoneda 平成19年2月28日