内向き整流性カリウムチャネルの構造と機能
久保義弘
内向き整流性K+チ ャネルは，種々の細胞外K+濃 度下において，主としてK+の 平衡電
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位以下で開き，内向き電流を通すユニークなK+チ ャネルである。内向き整流性K+チ ャネ
ルをコードするcDNAが
単離され，構造上も，膜電位依存性K+チ ャネルが6つ の膜貫
通部位をもつのに対 して，わずか2つ の膜貫通部位しかもたないユニークなものであるこ
とがわかった。さらに，その内向き整流性が，細胞内のMg2+と 細胞内のポリアミンによ
る外向き電流のブロックによりひき起こされていることが明らかになった。
【cDNAク
ロ ー ニ ン グ】【機 能 発 現 】【内 向 き整 流 性K+チ
ャネ ル 】
【2回膜 貫 通 型】
は じめ にK+チ
ャ ネル の分 子 生 物 学 的 研 究 は，1987年
に シ ョ ウ ジ ョウ バ エ の 突 然 変 異 体 で あ るShaker［
月 のKey
Words（p．2342） ］ か ら最 初 のcDNAが
→今
単離 さ
れ て以 来 ， 爆 発 的 に 進 め られ て き た1）
。Shakerと
同 じ
フ ァ ミ リー に属 す る，6つ の 膜 貫 通 部 位 を もつ タイ プ の
膜 電 位 依 存 性K+チ
ャ ネ ル の 遺 伝 子 が20以
向 き整 流 性K+チ
ャネル に重 点 をお き， その生 理 的 機 能 ，
筆者 らの行 な っ た機 能 発 現 法 に よ る この チ ャ ネル の
cDNA（IRK1）
の ク ロ ー ニ ン グ に つ い て 記 し， ま た ，
"内 向 き整 流 性 ”の 成 立 機 構 な どの 生 物 物 理 学 的 な 研 究
の これ ま で の 知 見 と， ク ロ ー ニ ン グ に続 く， そ の 研 究
上 も単 離 さ
れ ， そ の 構 造 機 能 連 関 に つ い て も精 力 的 に研 究 が 進 め
られ て き た 。 と こ ろ で ，1993年
に は， 機 能 的 に ま っ た
く異 な る フ ァ ミ リー で あ る"内 向 き整 流 性K+チ
ャ ネル
フ ァ ミ リー ”に属 す るK+チ
初めて
ャ ネ ル のcDNAが
単 離 さ れ る とい う新 展 開 が み られ た2 5）（
図1）。 そ の 結
果 ， 内 向 き整 流 性K+チ
位 を2つ
ャネ ル フ ァ ミ リー は， 膜 貫 通 部
し か も た な い ， 構 造 的 に も新 しい フ ァ ミ リー
を構 成 す る とい う知 見 が 得 られ た 。 内 向 き整 流 性 を 示
すK+チ
ャ ネ ル フ ァ ミ リー の メ ンバ ー と して， ① 内 向 き
整 流 性K+チ
ャ ネ ル ， ②G蛋
る ム ス カ リニ ッ クK+チ
白 質 に よ っ て 活 性 化 され
ャ ネ ル ， ③ATP感
受 性K+チ
ャ ネ ル な どが よ く知 られ て い る が ， 本 稿 で は， ① の 内
Yoshihiro
Kubo，
physiology,Tokyo
Primary
2288
Structure
図1
東 京 都 神 経 科 学 総 合 研 究 所 神 経 生 理 学 研 究 部 門
Metropolitan
and
Biophysical
Institute
Properties
for
K+チ
（〒183東
ャ ネ ル フ ァ ミ リー に 属 す る メ ン バ ー
京 都 府 中 市 武 蔵 台2-6）
Neuroscience,Musashidai,Fuchu-chi,Tokyo183,Japan]
of
Inward
Rectifier
K+
Channels
［Department
of
Neuro-
Ⅰ
15
内向き整流性力 リウムチ ャネルの構 造と機 能
の 最 近 の 新 展 開 に つ い て概 説 し た い。
1． 内 向 き 整 流 性K+チ
1949年
のKatzの
電 位 依 存 性K+チ
ャネル とは
カエ ル骨 格 筋 におけ る報 告 以 来 ， 膜
ャネ ル と ま っ た く異 な る タ イ プ のK＋
チ ャ ネ ル で あ る"内 向 き整 流 性K+チ
ャ ネ ル"が 存 在 す
る こ とが 電 気 生 理 学 的 に 知 られ て きた 。 こ の チ ャ ネ ル
は， 骨 格 筋 ， ヒ トデ や ホ ヤ の 卵 ， 心 筋 ， 神 経 ， グ リア ，
血 球 ， 上 皮 な ど の細 胞 に 広 く分 布 し， 静 止 膜 電 位 と興
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奮 性 の調 節 に 役 割 を 果 た して い る。 そ の 生 理 的 意 義 は
図2
膜 電 位 依存 性K+チ ャネ ル と内向 き整 流 性K+チ
ル の 電気 生 理 学 的性 質 の比 較
ャネ
電 気 生 理 学 的 に は以 下 の3点 か ら説 明 さ れ る 。 ① 強 い
脱 分 極 電 位 で 外 向 きの コ ンダ ク タ ンスが な い こと は， 心
（
図2） 。 す な わ ち ， 膜 電 位 依 存 性K+チ
室 筋 細 胞 の よ う な， 膜 電 位 依 存 性 外 向 きK+チ
が ， 主 と して 膜 電 位 セ ン サ ー に よ る膜 電 位 そ の も の の
ャ ネル の
ャ ネ ル の ゲー ト
密 度 が 低 い 細 胞 に お い て ， 際 だ っ て 長 い活 動 電 位 を 可
感 知 に よっ て い るの に対 し， 内 向 き整 流 性K+チ
能 に し て い る。 ②K+の
の 開 閉 は 主 と して 細 胞 内Mg2+な
平 衡 電 位 よ り少 し脱 分 極 よ りの
ャネ ル
ど に よ る外 向 き電 流 の
電 位 に お け る 小 さ な 外 向 き の コ ン ダ ク タ ン ス は， 細 胞
ブ ロ ッ ク に よ っ て い て ， 感 知 し て い るの はK+の
をK+の
位 （EK）か らの ず れ の よ う に観 察 され る （
正 確 には後 述 ）。
平 衡 電 位 付 近 まで 過 分 極 さ せ る （
静止膜 電 位 を
深 くす る）の に 役 立 って い る。 ③K+の
平衡 電位 以 下 の
この こ と は， 内 向 き整 流 性K+チ
平 衡電
ャ ネル に は膜 電 位 セ ン
大 きな 内 向 き の コ ンダ ク タ ン ス は， た と え ば 電 位 発 生
サ ー で あ るS4部
性 ポ ン プ の 活 動 に よ り， 細 胞 が 強 い 過 分 極 状 態 に な っ
ち ら もK+を
た と き に， 膜 電 位 をK+の
は若 干 似 通 っ た と こ ろ が あ る だ ろ う と期 待 さ れ る。
平 衡 電 位 付 近 まで もどす 役 割
位 が な い 可 能 性 を示 唆 す る （
図2） 。 ど
選択 的 に通 す ので， そ の ボア （
穴 ）の性 質
が あ る と考 え ら れ る 。
3．cDNAの
2． 膜 電 位 依 存 性K+チ
ャネル との 電 気 生 理 学 的 な 相 違
点 と類 似点
機能 発現 法 によ るク ロー ニ ン グ
イ オ ン チ ャ ネ ル や レ セ プ タ ー のcDNAの
クローニ ン
グ 法 と して ， 塩 基 配 列 の ホ モ ロ ジ ー に よ る 方 法 ， 蛋 白
こ こで は， 内 向 き整 流 性K+チ
ャネル の電 気 生 理 学 的
特 徴 の 基 本 的 な理 解 のた め に， 膜 電 位 依 存 性K+チ
ャネ
ル と比 較 対 照 しな が ら概 説 す る。 膜 電 位 依 存 性K＋ チ ャ
質 の精 製 に よ る 方 法 ， 突 然 変 異 体 の ゲ ノ ム 解 析 に よ る
方 法 な どが あ る。 しか し， 筆 者 らが 内 向 き整 流 性K+チ
ャ ネ ル のcDNAク
ロー ニ ン グ を 開 始 し た 時 点 で は， こ
ネ ル は ， 膜 電 位 を感 知 す る機 構6）（S4領 域 ：陽 電 荷 を も
の フ ァ ミ リー に属 す る チ ャ ネ ル のcDNAは1つ
つ ア ミノ 酸 が 点 在 ） を備 え て い る。 そ し て ， 静 止 膜 電
れ て お らず ， 塩 基 配 列 に関 す る情 報 は皆 無 で あ っ た。 ま
も得 ら
位 で は 閉 じ て い て ， 脱 分 極 に よ り開 き， 主 と し て 外 向
た 蛋 白 質 を精 製 す る に 足 る 組 織 もな く， 適 当 な 突 然 変
き電 流 を透 過 す る。 そ れ に対 し， 内 向 き整 流 性K+チ
異 体 もな か っ た 。 そ こで ， ア フ リカ ツ メ ガ エ ル 卵 母 細
ャ
ネ ル は， ご くご く大 雑 把 に い う と （
正 確 には後述 ）， あ ま
胞 を 用 い た機 能 発 現 法 に よ る ク ロ ー ニ ン グ 法 を とっ た。
り膜 電 位 を感 知 せ ず 開 きっぱ な しで あ る。 そ して， 種 々
RNAを
の 細 胞K+濃
卵 母 細 胞 に 注 入 し， チ ャ ネル の 発 現 を電 気 生 理
度 下 に お い て，K+の
平衡 電 位 （EK）以 下
学 的 に 調 べ る こ との み を指 標 とし て ， ソー ス とな る。 ポ
で は 内 向 き電 流 を透 過 す る。K+の
平 衡 電 位 （EK）以 上
リ （A）+RNAの
決 定 や ラ イ ブ ラ リー の ス ク リ ー ニ ン グ
で も外 向 き電 流 を透 過 しそ う で あ る が ， 実 際 は細 胞 内
を行 な う方法 で ある。 その ス テ ップに お いて， 塩基 配
のMg2+な
列 の 情 報 や 蛋 白 質 の情 報 は ま っ た く必 要 と され ず ， ク
どに よ る ブ ロ ッ ク を受 け るた め ほ とん ど外 向
き電 流 はみ られ ず ， 結 果 と して 内 向 き整 流 性 が 生 じ る7）
ロ ー ン が 得 られ る と き に は， 全 コー ド領 域 を もつ 機 能
2289
Ⅱ
16
蛋 白質
核酸
酵素
Vol．40
No．15（1995）
よ る特 徴 的 な 膜 電 位 依 存 性 の ブ ロ ッ ク を 受 け る。 ③ 単
一 チ ャ ネ ル コ ン ダ ク タ ン ス は21pSで
， カ イネティクス
は ゆ っ く り して い る。 こ れ ら は ， い ま ま で に報 告 され
て い る 内 向 き整 流 性K+チ
ャ ネル の 性 質 に合 致 す る。 こ
の こ と は ， この 単 一 種 の 分 子 の み で 完 全 に機 能 的 な チ
ャ ネ ル を構 成 す る こ と を 示 す 。 そ のmRNAの
発現 は
774細 胞 の ほ か ， 心 筋 ， 骨 格 筋 ， 脳 に お い て み ら れJ，
腎 ， 肝 に お い て は み られ な か っ た 。 こ れ も これ ま で の
電 気 生 理 学 的 な報 告 と矛 盾 し な い。 よってIRK1は
く知 られ て きた 内 向 き整 流 性+チ
，よ
ャ ネ ル そ の もの と考 え
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られ た 。
1． 膜 電 位 依 存 性K+チ
膜 電 位 依 存 性K+チ
ャネ ル との 相違 点 と類似 点
ャ ネル が6つ
の に対 して ，IRK1チ
の 膜 貫 通 部 位 を もつ
ャ ネ ル は わ ず か2つ
の膜 貫 通 部 位
しか も た な か っ た 。 あ ま り膜 電 位 を 感 知 し な い 性 質 か
ら予 想 さ れ た よ う に， 膜 電 位 依 存 性 チ ャ ネ ル
（Na＋，
Ca2+，K+）
位 はな
が 共 通 に もつ 膜 電 位 セ ンサーS4部
か っ た 。K+透
図3
種 々 の 細 胞 外K+濃
（A） お よ びI-Vカ
tial） とK+の
（
文 献3よ
度 下 で のIRKI電
流 のI-Vプ
ー ブ の 曲 が り始 め る 電 位
平衡電位
（EK） の 合 致
ロッ ト
（activationpoten-
（B）
H5領
過 の ボア （
穴 ）の 一 部 と考 え られ て い る
域 は， 膜 電 位 依 存 性K+＋ チ ャネ ル とは っ き り した
ホ モ ロ ジー を示 した 。 さ らにH5の
の膜 貫 通 部 位M1お
り改 変 ）。
よ びM2は
ャ ネ ル の 相 当 部 位 のS5お
前 後 に位 置 す る2つ
， 膜 電 位 依 存 性K+チ
よ びS6と
た。 この こ とか ら，IRK1は
弱 い 相 同性 を示 し
， 膜 電 位 依 存 性K+チ
ャネ
的 な ク ロ ー ン が 得 られ る 。 種 々 の組 織 や 細 胞 株 由 来 の
ル の 後 半 部 位 （S5，H5，S6） ・に相 当 す る もの と考 え ら
ポ リ （A）＋RNAを
れ た 。 この 後 半 部 位 が 両 チ ャ ネ ル い ず れ の場 合 もボ ア
試 し た す え に ， ソ ー ス と して マ ウ ス
の マ ク ロ フ ァー ジ細 胞 株J774の4．5∼5．5kb分
画 を用
を含 む 内核 を形 成 し て い る もの と考 え ら れ る。 そ して ，
い てcDNAラ
イブラ
膜 電 位 依 存 性K+チ
イ ブ ラ リー を作 製 した 。cDNAラ
リー の サ ブ プ ー ル 由 来 のRNAを
卵 母 細 胞 に 注 入 し て，
ャネ ル の場 合 は前 半 部 位 が さ らに外
殻 と して存 在 し，S4は
膜 電 位 セ ンサ ー と して，S1，S2，
電 気 生 理 学 的 ス ク リ ー ニ ン グ に よ り陽 性 の プ ー ル を 同
S3は 膜 電 位 セ ンサ ー の た め の シ ー ル ド （
静 電 気 の遮 蔽
定 し， そ の 陽 性 プ ー ル の 細 分 割 を く り返 し ， 単 一 ク ロ
装 置 ） と して 機 能 して い る と考 え ら れ る （
図4） 。
ー ン （IRK1；inward
rectifier K+
channe1）
を単離 し
た3）
。
2． ス トイ キ オ メ ト リー と ト リ プ ル バ レ ル 構 造
近 年 ， 膜 電 位 依 存 性K+チ
4．IRK1の
性質
ャ ネ ル が ，4つ の サ ブユ ニ
ッ トで な る こ とが ， 巧 妙 な 点 突 然 変 異 導 入 に よる研 究8）
ア フ リカ ツ メ ガ エル の 卵 母 細 胞 に 発 現 させ たIRK1チ
で 明 か に さ れ た 。 ま たLiら
は， バ キ ュ ロ ウ イ ル ス に よ
ャ ネ ル の 電 気 生 理 学 的 性 質 を詳 細 に 調 べ て み る と， 以
る蛋 白質 発 現 系 か ら得 ら れ た 精 製 蛋 白質 の 電 子 顕 微 鏡
下 の 性 質 が み られ た。 ① 細 胞 外K+の
像 を得 て， 膜 電 位 依 存 性K+チ
増 減 に よ るK+の
ャ ネル の 蛋 白 質 が， 中 心
平 衡 電 位 （EK） の シ フ トに つ れ て ， チ ャ ネ ル が 開 く電
の ボ ア と思 わ れ る ス ペ ー ス を 囲 む よ う に4つ
位 が シ フ トす る （
図3） 。 ② 細 胞 外Na+，Ba2+，Cs+に
正方形
2290
（お そ ら く これ が1つ
の小 さい
の サ ブ ユ ニ ッ ト） が 集 ま
Ⅲ
17
内向き整流性力 リウムチ ャネル の構 造と機能
疑 問 は， （3つのpearmeation
pathwayが
協 調 的 に閉 状 態
（
後 述 ） に 入 る の で ），superassembleし
た3つ の4量 体 の
もつ協 調 的 ゲ ーテ イ ングの メ
カ ニ ズ ム で あ ろ う。superassembleモ
デ ル を検 証 す る に
は， 電 気 生 理 学 的 解 析 の み な
らず ， 精 製 し た チ ャ ネ ル 蛋 白
質 を用 い て電 子顕 微鏡 に よる
構 造 の解 析 を 行 な う こ とが も
ち ろん必 要 で あ る。
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上 記 の 実 験 結 果 を説 明 す る
も うひ とつ の 可 能 性 として ， サ
ブ ス テー トが ，1つ のボ ア内 の，
独 立 し た そ し て 等 し い3つ
の
結 合 部 位 に結 合 す る プ ロ ッカ
ー の 数 で 決 定 され る （
た とえ
ば ，1つ 付 け ば2／3，2つ 付 け
ば1／3，3っ
付 け ば0／3レ ベ ル
に な る とか ） とい う可 能 性 が
図4
膜 電位 依 存 性K+チ
ャネ ル と内 向 き整 流 性K+チ
ャ ネル の構 造 の 比較
（
文献3よ り改変）。
考 え られ る。 この 際 に は， こ
の よ う な結 合 部 位 が 細 胞 内 の
ブ ロ ッキ ン グ イ オ ン に対 し て
っ た ，80?×80?の
正 方形 を示 す こ とを明 らか に し
た9）
。
も細 胞 外 の ブ ロ ッ キ ン グ イ オ ン に対 し て も器 用 に 存 在
しな けれ ば な ら な い こ と，1つ のポ ア の 中 で 複 数 の ブ ロ
膜 電 位依
ッキ ン グ イ オ ンが 反 発 せ ず に 完 全 に 独 立 に 存 在 し う る
存 性K+チ
ャ ネ ル と似 通 っ て い る こ とを 考 え る と （
似通
か とい う こ と， な ぜ き っ ち り と2／3レ ベ ル ，1／3レ ベ ル
ったH5ポ
ア領 域 を異 な る数 だ け 用 い て， 同 じイオ ン選
を示 す の か とい う こ と， な ど の 問 題 点 が あ る 。 い ず れ
択 性 を もつ こ と は非 常 に考 え に くい の で ）， 内 向 き整 流
に して も美 し い 電 気 生 理 の デ ー タ が 構 造 的 に は ど う説
性K+チ
明 さ れ る の か 興 味 の尽 きな い 点 で あ る 。
内 向 き整 流 性K+チ
ャネ ルの ボ ア領 域H5が
ャネ ル もや は り， 中 心 に1つ のポ ア を もつ4量
体 の構 造 を して い る と考 え る の が 妥 当 で あ ろ う 。
一 方Matsudaら
は
，ポ ア を ブ ロ ッ ク す る イ オ ンの 存
在 下 にお け るサ ブ ステ ー トの 解 析 の結 果
3／3の4つ
（0，1／3，2／3，
の レベ ルへ の 存 在 確 率 が2項
分 布 で あ る こ と）
か ら， 内 向 き整 流 性K＋ チ ャ ネル が 独 立 にブ ロ ッ ク を受
け る，3本 の 筒 （permeation
を し て い る と い うモ デ ル
pathways）
か ら な る構 造
（ト リプ ル バ レ ル 構 造 ） を 提
案 した10）
（図5）。 も し この チ ャネ ル が4量
つ トリプルバ レル構造
［
→今 月 のKey
体 で あ り， か
Words（p．2342］
こ こで は ， 先 に 大 雑 把 に 紹 介 し た 内 向 き整 流 性 の 機
構 に つ い て， よ り正 確 に， そ し て い く らか 詳 し く解 説
した い 。 な おⅢ ．3の部 分 は ， 研 究 の 歴 史 か らみ て決 し
て 後 か ら出 て き た わ け で は な い が ， 説 明 を シ ン プ ル に
す るた め にⅢ1，2に
つ い て の 解 説 の 後 で 紹 介 した い 。
を とっ て い る とす る と，3つ の4量 体 がsuper-assemble
す る こ と を 想 定 し な け れ ば な ら な い。 こ の 場 合 ， 次 の
2291
2
18
蛋 白質
核酸
酵素
Vol．40
No．15（1995）
図6
細 胞 内Mg2+存 在 下 と非 存 在 下 に おける内 向 き整 流性
K+チ ャネ ル電 流 の特 徴 の模 式 図
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（
文献12よ り改変）
。
流 は よ りゆ っ く り減 弱 し， ま た ， 外 向 き電 流 は ほ とん
ど残 らな い。 この 細 胞 内Mg2+の
な い状 態 で 観 察 され る
ゲ ー ト機 構 が 内 因 性 の ゲ ー ト機 構 と よ ば れ て きた 。 こ
の 内 因 性 のゲ ー ト機 構 は ， ク ロ ー ン化 され たIRK1と
チ
ャ ネ ル に お い て も確 認 さ れ た13,14）
。
以 上 の 現 象 は，closed（C） ，open（O） ， ブ ロ ッ ク （B）
の3つ
図5
Matsudaら
流 性K+チ
に よ る ， モ ル モ ッ ト心 室 筋 細 胞 の 内 向 き整
い る。B-Oの
移 行 は速 く，C-Oの
移 行 は よ りゆ っ く り
ャネル の単 一 チ ャネル 記 録
細 胞 外 溶 液 にポ ア ブ ロ ッカ ー で あ るCs+を20μM加
り 出 現 した0，1／3,2／3，3／3の
え る こ とに よ
サ ブス テー ト （
文 献10よ
り改
変 ）。
1．
の ス テ ー トを想 定 し， 以 下 の よ う に 説 明 され て
して い る。 チ ャ ネ ル がBか
らCに
入 る に はOを
け れ ば な ら な い 。 過 分 極 で 瞬 時 に 立 ち 上 が る成 分 とゆ
っ く り立 ち 上 が る 成 分 は それ ぞ れ ，B-OとC-Oの
こ れ ま で の 理 解 （Mg2+ブ
ロックと 内因 性の ゲーテ
内 向 き整 流 性 を決 定 し て い る の は， 正 確 に は細 胞 内
Mg2+に
に相 当 す る。 脱 分 極 で の速 い 減 弱 はO-Bの
して細 胞 内Mg2+の
イング）
よ る ブ ロ ッ クの み で は な く， 細 胞 内Mg2+を
完
通 らな
弱 はO-Cの
Mg2+が
移行
移 行 に， そ
な い 状 態 で の ， よ りゆ っ くり した減
移 行 に対 応 す る 。 こ の デ ー タ は， 細 胞 内
， 外 向 き電 流 の 瞬 時 の ブ ロ ッ ク と内 向 き整 流 性
全 に 取 り除 い た 実 験 下 で も脱 分 極 に よ っ て チ ャ ネ ル は
の成 立 に寄 与 して い る こ と， また ， 逆 に， 細 胞 内Mg2+
閉 じて い く。 す な わ ち ， 心 筋 の こ の チ ャ ネ ル に は， 内
の存 在 が ， チ ャ ネ ル がCに
因 性 の ゲ ー トが存 在 す る こ とが 知 られ て い る7,11）
。
り， 脱 分 極 電 位 に お い て ， 小 さ い が 長 く続 く外 向 き電
そ の 内 向 き整 流 性K+電
流 の特 徴 的 な 性 質 を図6に 模
入 る の を邪 魔 す る こ と に よ
流 を 生 ん で い る こ と を示 唆 し て い る11)。
存 在 下 で は， 過 分
要 約 す れ ば， 図7に
示 す よ う に ， これ ま で ， 内 向 き
極 に よ り瞬 時 に立 ち上 が る成 分 と， よ りゆ っ く り立 ち
整 流 性 は細 胞 内Mg2+に
よる ブ ロ ック と未 知 の 内 因 性 の
上 が る成 分 が 観 察 され る。K+の
ゲ ー ト機 構 に よ り成 立 す る と考 え ら れ て き た。
式 的 に 示 した12）
。 ① 細 胞 内Mg2+の
平 衡 電 位 以 上 に脱 分 極
す る と， 外 向 き電 流 は ほ ぼ瞬 時 に 減 弱 す る が ， 小 さ な
外 向 き電 流 が残 る。 ② それ に対 し， 細 胞 内Mg2+の
ない
状 態 で は， 過 分 極 電 位 に い っ た と き に は ， 瞬 時 に 立 ち
上 が る成 分 が な くな り， ゆ っ く り立 ち 上 が る成 分 が よ
りは っ き りす る よ う にな る。 そ して脱 分 極 した と き， 外
向 き電 流 の 瞬 時 の減 弱 は起 こ らず ， 代 わ りに 外 向 き電
2292
19
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内向き整流性カ リウムチャネル の構 造と機能
図7
内 向 き整 流 性K+チ
ャネルの 内向 き整 流性 を決 定 す る
図8
内 向 き 整 流 性K+チ
メカ ニ ズ ムの これ まで の理解
メ カニ ズム の 最近 の 理解
細 胞 内Mg2+に
細 胞 内Mg2+に
よ る ブ ロ ック と未 知 の 内因 性 のゲ ー ト機 構 が役 割 を
よ る ブ ロ ック と細 胞 内 ポ リア ミン によ る ブ ロ ックが
果たす。
役 割 を果 た す。
ず れ で あ る こ とか ら， 膜 電 位 依 存 性 チ ャ ネ ル の 膜 電 位
と考 え られ る 。
感 知 機 構 と似 通 っ た もの で は あ りえ な い。 だ とす る と，
Mg2+と
ャ ネ ル の 内 向 き整 流 性 を 決 定 す る
ポ リア ミン の チ ャネ ル に お け る結 合 部 位 と し
内 因 性 の ゲ ー トは い っ た い ど の よ う な機 構 に よ る の だ
て は ， これ らの プ ロ ッ カ ー が 膜 電 位 依 存 性 の ブ ロ ッ ク
ろうか ？
（
膜 の 電 場 に入 り こん で の ブ ロ ッ ク） を 示 す こ とか ら，
ひ と つ の可 能 性 と し て ， 内 因 性 の ゲ ー ト機
構 も ま た ブ ロ ッ ク に よ っ て い る， た と え ば チ ャ ネ ル 分
チ ャ ネ ル の ボ ア を形 成 す る と考 え ら れ て い る部 分 が 重
子 自 身 の 一 部 ， も し く はチ ャ ネ ル に と っ て は外 因 性 の
要 で あ る と考 え られ る。 膜 電 位 依 存 性K+チ
ャ ネル にお
細 胞 質 に存 在 す る 分 子 に よ る ブ ロ ッ クで あ る と い う こ
け る 点 突 然 変 異 導 入 に よ る研 究 か ら，H5領
域 はボ ア を
とが 考 え ら れ よ う。 内 因 性 の ゲ ー ト機 構 はIRK1や
形 成 す る と考 え られ る。 付 け加 え て ，S4-S5リ
ROMK1単
とS6の
離 以 降 ， さ ら に研 究 が 進 め られ ， 新 展 開 を
ンカ ー
一 部 もボ ア の 内側 を形 成 す る こ とが わ か っ て い
示 した。 その結 果．
， スペ ル ミ ンや スペ ル ミ ジ ン の よ う
る 。 これ ら と の類 推 か ら， お そ ら く内 向 き整 流 性 チ ャ
な細 胞 質 に 存 在 す る ポ リア ミンが ，Mg2+の
ネ ル のH5お
非 存 在 下 で，
よ びM1，M2の
一 部 の 特 徴 的 に保 存 され
こ の チ ャ ネ ル の 外 向 き電 流 を ブ ロ ッ ク す る と い う こ と
て い る部 位 が 重 要 で あ ろ う と考 え られ る。 最 近 ，2つ め
が 明 ら か に され た 。 細 胞 質 の これ らの物 質 の 生 理 的 濃
の膜 貫 通 部 位M2領
域 の真 ん 中付近 にあ る アスパ ラ ギ
度 は ， 有 効 な ブ ロ ッ ク を可 能 に す る の に 十 分 な ほ ど高
ン酸 残 基 が この チ ャ ネ ル の プ ロ ッ カ ー に 対 す る 感 受 性
い 。 よ って ， 内 因 性 の ゲ ー トとよ ば れて きた もの が ， 生
の 決 定 に 関 与 して い る18∼20）
と報 告 され た 。 さ らにTag-
理 的 に 細 胞 内 に存 在 す る ス ペ ル ミ ン， ス ペ ル ミジ ン な
lialatelaは ，IRK1とROMK1の
どの ポ リア ミ ン に よ る ブ ロ ッ ク で あ る （す な わ ち 内 因
胞 内 領 域 と考 え られ て い るC末
性 の ゲ ー トで は な くて ， チ ャ ネ ル に と っ て は外 因 性 の
胞 内Mg2+に
物 質 に よ る ブ ロ ッ クで あ る）とい う ことが 示 され た15∼17)
る とい う デ ー タ21）を報 告 し た。 さ らに ，C末
わ け で あ る。 現 時 点 で は，IRK1チ
性 領 域 の1つ
性 は ， 細 胞 内Mg2+お
ャ ネル の 内 向 き整 流
よび ポ リア ミン とい う2種 の分 子
の ブ ロ ッ ク に よ る と理 解 さ れ て い る （
図8） 。Mg2+と
ポ
キ メラ の実 験 か ら， 細
端 の親 水性 領域 が， 細
よ る膜 電 位 依 存 性 の ブ ロ ック に 関 与 して い
の ア ミノ酸 残 基 （IRK1のE224）
端 の親 水
が ，Mg2＋
ブ ロ ッ ク と ポ リア ミ ン ブ ロ ッ ク の 両 方 に大 切 で あ る こ
と も報 告 さ れ た22）
。 これ らの結 果 は ，C末
端 の （これ ま
リア ミ ン とい う2つ の ブ ロ ッ キ ン グ分 子 の ， どち らが
で 細 胞 内 領 域 と考 え られ て き た ） 親 水 性 部 位 が ， た と
ど の 程 度 ， そ れ ぞ れ 内 向 き整 流 性 の成 立 に生 理 的 に効
え ば ボ ア 領 域 の一 部 を 形 成 す る ボ ア 領 域 に た ぐ り こ ま
い て い る の か に つ い て は， 今 後 さ ら に検 証 され て い く
れ る な ど し て ， イ オ ンの 透 過 や 細 胞 質 の プ ロ ッ カ ー に
2293
20
蛋白質
核酸
酵素
Vol．40
No．15（1995）
よ る チ ャ ネ ル の ブ ロ ッ ク に影 響 を 及 ぼ し て い る 可 能 性
を 示 唆 し て い る と考 え られ る 。
3． さ ら な る メ カ ニ ズ ム （K+依 存 性K+チ
ャ ネル モデ
ル）
2つ の重 要 な 細 胞 内 ブ ロ ッ キ ング 因 子 は 同 定 され たが，
内 向 き整 流 性 の 決 定 機 構 に は解 決 さ れ る べ き 問 題 が 残
っ て い る と思 わ れ る。 先 に述 べ た よ う に， 細 胞 外 のK+
濃 度 を変 えた と きに は， 内 向 き整 流 性K+チ
ン ダ ク タ ン ス カ ー ブ はほ ぼK+の
ャ ネル の コ
平 衡 電 位 （EK）の 変 化
分 シ フ トす る。 この チ ャ ネ ル は， 本 当 にEKか
らの ず れ
を感 知 す る の だ ろ うか 。 も しそ うで あ る な ら ば， ど の
Database Center for Life Science Online Service
よ う に して 感 知 す る だ ろ う か 。 ひ と つ の 最 も単 純 な イ
メ ー ジ は ， チ ャ ネル と細 胞 質 の プ ロ ッ カ ーがK+の
図9
内向 き整 流 性K+チ
ャネル の 内 向 き整 流 性 の成 立 に細
胞 外K+が 及 ぼす 効果 の 可 能 性 を示 す模 式 図
流れ
の 総 和 の 方 向 を 感 知 し， 外 向 き流 に よ っ て は プ ロ ッ カ
ー が チ ャ ネ ル に 塞 ぎ込 ま れ ， 内 向 き流 に よ っ て は 流 し
Hille＆Schwarzと
出 さ れ る とい う も の で あ る。HilleとSchwarzは
の 部 位 を もつ モ デル で 行 ない ，multiple-ion
，そ
同 様 な 解 析 を3つ
の バ リ ヤ と2つ
single-file
れ ま で の種 々 の 電 気 生 理 学 的 実 験 結 果 の 報 告 に 基 づ い
poreと
て， 内 向 き整 流 性K+チ
す るの に十 分 で は な い と議 論 し た25）
。 そ して， ブ ロ ッキ
ャネ ル が ， 複 数 のK+イ
オ ンが
一 列 に 並 ん で 同 時 に存 在 し う る長 い ボ ア を もつ チ ャ ネ
ル
（multiple-ion single-file pore channel）
であると
ブ ロ ッ キ ング イ オ ン の 仮 定 は ， 実 験 結 果 を説 明
ング イ オ ンで あ るMg2+に
レベ ル が細 胞 外K+に
対 す る 結 合 部 位 の エ ネ ルギ ー
よ っ て影 響 され る とい う仮 定 を付
考 え， そ こ に4つ の バ リヤ と3つ の 結 合 部 位 を仮 定 し，
け加 え る ことに よ り， 実 験 結 果 を説 明 した25）
。 最 近 ，K+
ま た 細 胞 質 の1価
とRb+が
の陽 イオ ンの プ ロ ッカー を仮定 す る
こ とに よ り， 種 々 の 細 胞 外K+濃
度 下 に おい て コ ンダ ク
タ ン ス （ひ い て は 内 向 き整 流 性 ）がEKか
らの ず れ に依
異 な る能 力 を も つ こ の チ ャ ネ ル を活 性 化 す る
イ オ ン で あ る とい う報 告 もさ れ て い る26,27）
。 これ らの こ
とか ら， 内 向 き整 流 性 チ ャ ネ ル は ， 以 前 に提 唱 さ れ た
存 す る こ とを シ ュ ミ レー トす る こ とに成 功 した23）
。彼 ら
よ う に，K+活
の モ デ ル は ま た ，cross over effect（細 胞 外K+濃
れ る。 細 胞 外K+は
度が
性K+チ
ャ ネ ル の 側 面 を も つ と考 え ら
， 細 胞 質 のMg2+や
ポ リア ミンに よ
よ り高 い と き に ， よ り大 き な外 向 き電 流 が 観 察 さ れ る
る ブ ロ ッ ク に影 響 を 与 え る の か も し れ な い。 さ ら に ま
こ と） を も再 現 し た。 す な わ ち ， 長 い ボ ア と ブ ロ ッ キ
た ， 細 胞 外K+は
ン グ イ オ ン を仮 定 す れ ば， か な りの と こ ろ ま で 説 明 で
係 し な い状 態 で も， こ の チ ャ ネ ル の 開 閉 に影 響 を お よ
き る の で あ る。
ぼ す 可 能 性 も考 え られ よ う （
図9） 。 い ず れ に して も， こ
しか し， 細 胞 内K+濃
度 を変 え た い くつ か の 実 験 の 結
果 は ， 以 下 に記 す よ うに， 内 向 き整 流 性K+チ
EKか
ら の ず れ で はな くて ， 細 胞 外K+濃
combinationを
ャ ネル が
こ れ は こ こ ま で の 説 明 で 片 づ か な い 点 を含 ん で い る 。
， 細 胞 外K+濃
度 を変 え た と き に は あ ま り シ フ ト し な い とい う こ と を
2294
Ⅳ
.内 向き整流性K+チ ャネルの多様性の分子レベルでの
知見
1． 新 し い メ ン バ ー の ク ロ ー ニ ン グ
ROMK12）
，IRK13） が機 能 発 現 法 に よ り最 初 に ク ロー
よ る ブ ロ ック
ン化 さ れ て 以 来 ， 塩 基 配 列 の ホ モ ロ ジ ー に よ り， こ の
度 と膜 電 位 に依 存 し， 細 胞 内K＋ 濃 度
サ ブ フ ァ ミ リー に属 す る メ ンバ ー が 続 々 と単 離 さ れ て
示 し た24）
。Matsudaは
やEKか
相 互 作 用 につ い て の構 造 機 能
度 を変 え た ときに
は コ ン ダ ク タ ン ス カ ー ブ は シ フ トす るが ， 細 胞 内K+濃
が 細 胞 外K+濃
の チ ャネ ル と細 胞 外K+の
連 関 の 研 究 が 進 ん で い く と期 待 さ れ る 。
度 と膜 電 位 の
感 知 す る とい う可 能 性 を示 唆 して お り，
HagiwaraとYoshiは
， ブ ロ ッ キ ング イ オ ン と は まっ た く関
， 細 胞 内Mg2+に
らの ず れ に は依 存 し な い こ と を示 し， さ ら に，
きて い る （
い くつかの例 として， 文 献30∼33参
照）。 また，
21
内向き整流性力リウム チャネル の構 造と機能
G蛋
白 質 で 直 接 活 性 化 され るム ス カ リニ ックK+チ
ル のcDNA（GIRK14）
ャネ
，KGA5） ）も ク ロ ー ン化 さ れ ， そ
文
献
（文 献 番 号 を 太 字 に し た も の は と く に 重 要 で あ る こ と を 示 す ）
1)Jan,L.Y.,Jan,Y.N.:Trends
の サ ブ フ ァ ミ リー の クロー ン も単 離 され てい る。Ashford
ら は， 細 胞 内ATPで
ゆ るATP感
ブ ロ ッ ク され る性 質 を もつ ， いわ
受 性 の 内 向 き整 流 性K+チ
追 試 で きず ， この チ ャネ ル がATP感
受性が
受 性K+チ
ャネ ル
で あ る こ とを疑 問 視 す るグ ル ー プ もあ る よ う で あ る35）
。
Inagakiら
は，cKATPと
は異 な る新 しいcDNAク
ン （uKATP）を単 離 し ， こ のcDNAがATP感
Neurosci.,13,
2】Ho,K.,Nichols,C.G.,Lederer,W.J.,Lytton,J.,
Vassilev,P.M.,Kanazirska,M.V.,Hebert,S.
ャネル のcDNA
（cKATP）を ク ロー ン化 した34）
。 しか し，ATP感
in
415-419(1990)
ロー
受性 をも
C.:Nature,362,31-38(1993)
3】Kubo,Y.,Baldwin,T.J.,Jan,Y.N.,Jan,L.Y.
Nature,362,127-133(1993)
4)Kubo,Y.,Reuveny,E.,Slesinger,P.A.,Jan,Y.
N，Jan，L．Y．
：Nature，364，802-806（1993）
5)Dascal,N.,Schrebmayer,W.et
al.:Proc.Natl.
Acad.Sci.USA,90,10235-10239(1993)
っK+チ
ャ ネ ル を コー ドす る と報 告 し て い る36）
。
2回 膜 貫 通 型 とい う点 で は， この ほか にK+選
Database Center for Life Science Online Service
や や あ ま いpH感
ATPで
受 性 のK+チ
活 性 化 さ れ るATP受
6)Papazian,D.M.,Timpe,L.C.,Jan,Y.N.,Jan,
択性の
ャ ネ ル37）
， また細 胞 外
容体 チ ャネ ル な どの
L．Y．
：Nature,349,305-310（1991)
7】Matsuda,H.:J.Physiol.,397,237-258(1988)
8)Liman,E.R.,Tytgat,J.,Hess,P.:Neuron,9,
861-871(1992)
cDNAも
単 離 され ，2回 膜 貫 通 型 フ ァ ミリーの 多 様 性 を
うかが わせ る。
9)Li,M.,Unwin,N.,Stauffer,K.A.,Jan,Y.N.,
Jan,L.Y.:CurrentBiology,4,110-115(1994)
10】Matsuda,H.,Matsuura,H.,Noma,A.:J.
Physiol.,413,139-157(1989)
2． ヘ テ ロ マ ル チ マ ー の 形 成
膜 電 位 依 存 性K+チ
11】Ishihara，K，Mitsuiye，T．
ャネ ル に つ い て は， 異 な る サ ブ ユ
ニ ッ トが ヘ テ ロ マ ル チ マ ー を形 成 し う る こ と， そ し て
さ ら に，in vivoで ヘ テ ロマ ル チ マ ー が 実 際 に存 在 し て
い る こ とが す で に明 らか に され ， 内 向 き整 流 性K+チ
ャ
，Noma，A．
，Takano，
M.:J.Physiol.,419,297-320(1989)
12)Kubo,Y.:Neurosci.Res.,21,109-117(1994)
13)Stanfield,P.R.,Davies,N.W.,Shelton,P.A.,
Khan,I.A.,Brammar,W.J.,Staden,N.B.,
Conley,E.C.:J.Physiol.,475,1-7(1994)
ネ ル フ ァ ミ リー に お い て も そ の 存 在 は予 想 され る 。 最
近 ，G蛋
白質 で直 接 活 性 化 され る 内 向 き整 流 性K+チ
ネ ル （GIRK1）
ャ
と免 疫 共 沈 す る蛋 白 質 の 精 製 ， そ し て
そ の 蛋 白 質 を コ ー ドす るcDNA（CIR）
の ク ロ ー ン化
14)Ishihara,K.,Hiraoka,M.:J.Membrane
Biology,
142,55-64(1994)
15】Lopatin，A．N．,Makhina,E.N.,Nichols,C．G．
：
Nature,372,366-369(1994)
16)Ficker,E.,Taglialatela,M.,Wible,B.A.,Hen-
が 行 な わ れ た35）
。CIRは
性K+チ
お ど ろい た こ と に，ATP感
ャ ネ ル と し てAshfordら
が 報 告 した もの
（cKATP）34）
と同 一 で あ った 。GIRK1とCIRを
る と，G蛋
受
共発現す
白質 に よっ て 活 性 化 され る内 向 き整 流 性K+
チ ャ ネ ル が ，GIRK1単
らの こ とか ら，CIRは
独 時 よ り も高 く発 現 した 。 これ
，GIRK1と
と もにG蛋
っ て 活 性 化 す るヘ テ ロマ ル チ マ ー のK+チ
白質 によ
ャネ ル を形 成
し う る こ とが 明 らか に な っ た。 今 後 さ ら に ， 内 向 き整
ley,C.M.,Brown,A.M.:Science,266,10681072(1994)
17)Fakler,B.,Brandle,U.et
al.:Cell,80,149-
154(1995)
18】Stanfield,P.R.,Davies,N.W.,Shelton,P.A.,
Sutcliffe,M.J.,Khan,I.A.,Brammar,W.J.,
Conley,E．C．
：J.Physiol．,478,1-6（1994）
19】Wible,B．A．,Taglialatela,M．,Ficker,E.,
Brown,A.M.:Nature,371,246-249(1994)
20】Lu,Z．,MacKinnon,R．
流 性 を 示 す ，2回 膜 貫 通 型K+チ
ャ ネ ル フ ァ ミ リー の メ
ンバ ー に よ る， 種 々 のヘ テ ロ マル チ マー の 形 成 ，in vivo
に お け る 存 在 が ， さ ら な る 多 様 性 の源 と し て 見 つ か っ
：Nature,371,243-246
(1994)
21】Taglialatela,M．,Wible,B．A．,Caporaso,R．,
Brown,A.M.:Science,264,844-847(1994)
22】Yang,J．,Jan,Y．N.,Jan,L．Y．
て い く と考 え られ る 。
：Neuron，
印 刷 中
(1995)
本 稿 で 紹 介 し た筆 者 ら の研 究 は，Lily Jan，Yuh
究 室 で，Tim
Baldwin氏
Nung
Jan研
と共 同 で行 な った もの です 。 本 稿 を執 筆
す る 機 会 を与 え て くだ さ い ま し た東 田 陽 博 先 生 に深 く感 謝 い た し
ます。
23】Hille,B．,Schwarz,W．
：J.Gen．Physiol.,72,409-
442(1978)
24)Hagiwara,S.,Yoshi,M.:J.Physiol.,272,251265(1979)
2295
22
蛋 白質
25】Matsuda,H．
核酸
酵素 Vol．40
No．15(1995)
：J.Physiol．,435,83-99(1991)
32)Perier,F.,Radeke,C.M.,Vadenberg,C.A.:
26)Silver,M.R.,Shapiro,M.S.,DeCoursey,T.E.:
Proc．Natl.Acad.Sci.USA,91,6240-6244(1994)
J.Gen.Physiol.,103,519-548(1994)
33)Makhina,E.N.,Kelly,A.J.,LopatinA.N.,
27)Pennefather,P.S.,DeCoursey,T.E.:J.Gen.
Mercer
Physiol.,103,549-581(1994)
28】Cohen,I．S．,DiFrancesco,D．,Pennefather，P.,
34】Ashford，M.L．J．,Bond．C．T.,Blair,T．A.,Adel-
Mulrine,N．K.：Biophys．J.,55,197-202(1989)
29】Pennefather
man,J.P.:Nature,370,456-459(1994)
35】Krapivinsky,G．,Gordon,E．A．et
,P.,Oliva,C.,Mulrine,N.:Biophys.
61，448-462(1992)
J.,
al． ：Nature,
374,135-141(1995)
30)Koyama,H.,Morishige,K.,Takahashi,N.,
Zanelli,J.S.,Fass,D.N.,Kurachi
36)Inagaki,N.,Tsuura,Y.,Namba,N.,Masuda,
,Y.:FEBS
Lett.,341,303-307(1994)
K.,Gonoi,T.,Horie,M.,Seino,Y.,Mizuta,M.,
Seino，S．
31)Morishige,K.,Takahashi,N.,Jahangir,A.,
Yamada,M.,Koyama,H.,Zanelli
：J.Biol.Chem.,印
刷 中(1995)
37)Suzuki,M.,Takahashi,K.,Ikeda,M.,Hayak,J.S.,Kura-
Lett.,346,251-256(1994)
awa,H.,Ogawa,A.,Kawaguchi,Y.,Sakai,O.:
Nature,367,642-645(1994)
Database Center for Life Science Online Service
chi,Y.:FEBS
R.W.,Nicols,C.G.:J.Biol.Chem.,269,
20468-20474(1994)
日本 原子 力研究所 研 究系職 員1名
研 究 分 野 ：イオ ン ビー ム の生 物 影響 の遺 伝 的解 析 と生 体
機 能 解 明へ の 応用 研 究 （
特 にマ イ ク ロ イ オ ン ビ ー ム を
用 いた放 射 線 影響 の解析 と発 生 ・分 化 研 究 へ の応 用 ）
所
属 ：環 境 ・資 源利 用 研 究 部バ イ オ技 術 研 究 室 （
室
長 ：渡辺 宏 ）
勤 務 地 ：群 馬 県高 崎 市 日本 原子 力 研 究 所 高 崎 研 究 所
内
応 募 資格 ：修 士課 程 修 了以 上 の経 歴 を有 し， 原 則 と して
平成7年11月30日
の時 点 で，35歳 以 下 で， 当 研 究所
の採 用 試験 を受 験 した こ との な い方
提 出 書類 ：① 履 歴 書 （
当研 究所 指 定 様 式 ）， ② 研 究 経 歴書
（これ まで の研 究 の概 要 ：様 式 自 由），③ 研 究 業 績 リス
トお よび論 文 （
総説 を含 む） の別 刷 各1部 ，④ 大 学 の
2296
卒 業 証 明書 な ど （
修 士 課 程修 了 者 は学部 卒 業 お よび課
程 修 了証 明 書 ，博 士 課 程修 了者 は学 部 卒 業 ，修 士 課程
修 了 お よび博 士課 程 修 了証 明書 ）
， ⑤ 応 募 者 について照
会 で き る方2名 の連 絡 先 （
推 薦 状 は不 要 ）
応募 締 切 ：平 成7年11月30日
（
木）（
封 筒 の 表 に 「応募
書 類 在 中」 と朱書 の こ と）
着任 時 期 ：平 成8年4月1日
書類 提 出 先 ：〒100東 京都 千 代 田 区 内幸 町2-2-2
日本 原子 力研 究 所 人 事部 人 事 課
Te1.03-3592-2175,2176
研 究 に 関 す る間合 せ 先 ：日本 原 子 力 研 究 所 高 崎 研 究所
環境 ・資 源利 用研 究部
Te1.0273-46-9510FAX0273-46-9688

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