やぶにらみ生物論１２８： ＧＡＢＡ その２

ＧＡＢＡ作動性シナプス周辺の模式図を図１に示しました（１）。シナプス前後細胞の他にアストログリア細胞が描いてありますが、これはシナプス周辺のアストログリア細胞がグルタミンをシナプス前細胞に供給するという役目を担っているからです。この細胞はさらにシナプス間隙から過剰なＧＡＢＡを回収してグルタミンに変換することもできます。

アストログリア細胞からグルタミンを受け取ったシナプス前細胞は、リン酸活性化グルタミナーゼ＝ＰＡＧ(phosphate-activated glutaminase)という酵素を使ってグルタミンを加水分解してグルタミン酸を合成し、パート１に記したようにＧＡＢＡを合成します。

その１：http://morph.way-nifty.com/grey/2019/06/post-f82bd2.html

抑制性神経伝達物質の場合、シナプス後細胞の興奮を阻止するのが役割ですから、シナプス後細胞のＧＡＢＡ受容体がナトリウムイオンチャネルではなく塩素イオンのチャネルであれば話は簡単です。塩素イオンが細胞内に流入すると、通常外界（＋）/細胞内（－）となっている電位差がますます大きくなるので、細胞は過分極状態となり脱分極は阻止されます（図１）。

ＧＡＢＡ受容体あるいは同様なはたらきを持つグリシン受容体の精製は１９８０年初頭に英国のバーナード（図２）のグループと、ドイツのベッツ（図２）のグループで激しい先陣争いが繰り広げられました。前者は牛の脳、後者はラットの脊髄を材料としました。両者が成功したのは、ＧＡＢＡやグリシンというリガンドそのものではなく、より強力で特異的に結合するベンゾジアゼピンやストリキニーネという代役の化合物を放射能でラベルし、精製の際のマーカーとして用いたからと言えます（２）。両陣営がそれぞれレビューを出版しているので、興味のある方はご覧ください（３、４）。

バーナードが精製したのは現在ではＧＡＢＡＡと呼ばれるＧＡＢＡ受容体で、これは実際に塩素イオンのチャネルです。ＧＡＢＡが結合することによってアロステリックな構造変化を行い、塩素イオンを細胞内に取り込みます（５）。

ＧＡＢＡＡ受容体タンパク質は４回膜貫通型で細胞膜に局在します。Ｎ末、Ｃ末共に細胞外に出ており、Ｃ末側露出部にＳＳ結合が存在します（５、図３）。このようなＳＳ結合を持つ受容体タンパク質群はＣｙｓループ受容体ファミリーと呼ばれ、ベッツが精製したグリシン受容体もこのファミリーに所属しています。

ＧＡＢＡＡ受容体タンパク質はサブタイプが多くて、α1-6、β1-3、γ1-3、δ、ε、θ、π と ρ1-3 の少なくとも１９種類の分子種が知られており、イオンチャネルはこれらから５分子が集合して形成されます（６、７、図３）。脳内にはα型１個－β型２個－γ型２個の５量体が多いとされています（７）。ＧＡＢＡＡ受容体は実質無限のバラエティを持っているわけですが、なぜそうなっているのか、理由は不明です。

ＧＡＢＡの受容体にはもうひとつのタイプ、ＧＡＢＡＢが存在します。ＧＡＢＡＢはバウリーが発見し（８、図２）、彼らによって遺伝子構造も解明されました（９）。ＧＡＢＡＢの構造についての模式図は図４に示しました（脳科学辞典１０から改変）。

ＧＡＢＡＢは７回膜貫通ＧＰＣＲ（Ｇ protein-coupled receptor＝Ｇタンパク質共役受容体）なのですが、Ｒ１、Ｒ２という二つの分子が協働してその役割を果たすという一風変わった構造になっています（図４）。すなわち図４のように、Ｒ１がＧＡＢＡと結合する役割、Ｒ２がＧタンパク質と結合するという役割を持っています。

Ｒ１とＲ２は細胞膜に隣接して埋め込まれていますが、細胞質内の長い両者のＣ末部分で複雑に絡まり合っており（図４）、ここでＲ２はＲ１の構造変化を検知して活動を開始すると思われます。またこの絡まり合った部分で、Ｇタンパク質だけでなくさまざまな制御因子や情報伝達因子と相互作用を行うことができます（１１、１２）。このことがわざわざ２分子でＧＰＣＲの仕事をやっている理由なのでしょう。

Ｒ２に結合しているＧαタンパク質はi型で、ＧＡＢＡのシグナルによって遊離し、アデニル酸シクラーゼを阻害してｃＡＭＰ合成を妨げる働きがあります。これによってタンパク質のリン酸化が低下します。また同じく遊離したＧβγタンパク質によって、カリウムチャネルが開き、カルシウムチャネルが閉じられます。Ｋ＋は細胞内濃度が高いので細胞外に流出し、過分極の方向にコントロールされます。またカルシウムの流入が妨げられるのも同じ効果があります（１２，図５）。

ＧＡＢＡＡ受容体はＧＡＢＡシグナルに対する即時（ミリ秒単位）の反応を受け持ち、ＧＡＢＡＢ受容体はやや遅い反応または継続的な反応を受け持つと思われます。ＧＡＢＡＢ受容体にもさまざまなアイソタイプがあるようですが（１２）、ここではパスします。

さて図１にもどると、ＧＡＢＡによる情報伝達に関しては、まだいくつかの重要な因子があることがわかります。まず🌕で示されているＧＡＢＡトランスポーター（ＧＡＴ）です。これにはいくつかのタイプがあり、シナプス前細胞にはＧＡＴ１型、シナプス周辺アストログリア細胞にはＧＡＴ３型、脳以外の臓器の細胞にはＧＡＴ２型が概ね局在しています。

ＧＡＴは膜１２回貫通型の細胞膜に埋め込まれたタンパク質で、Ｃ末・Ｎ末共に細胞内に露出します（図６）。

ＧＡＴがＧＡＢＡを細胞内に取り込む際にＧＡＢＡ１分子につきナトリウムイオン２個と塩素イオン１個が移動しますが（１３、図６）、ＡＴＰは使用しません。といってもナトリウムを取り込むと、ＡＴＰを使って排出することになるので、間接的にはＡＴＰのエネルギーを利用していることになります。

ＧＡＢＡが通過する部分はシーソーのような構造になっており、図６のように立体構造を変えることによってＧＡＢＡを移動させます（１３）。ＧＡＢＡを放出後、シナプス間隙の不要なＧＡＢＡ濃度が高まると、シナプス前細胞のＧＡＴ１がＧＡＢＡをすみやかに回収します。アストログリア細胞のＧＡＴ３もＧＡＢＡの回収に使われるようです。この両者によって約７５％のＧＡＢＡを回収できるとされています（１３）。

アストログリア細胞が回収したＧＡＢＡはグルタミン酸からグルタミンに変換され、トランスポーターを通してシナプス前細胞に受け渡されて再利用されます。シナプス前細胞は自ら回収したＧＡＢＡと、アストログリア細胞から受け取ったグルタミンから合成したＧＡＢＡを使用することができます。ＧＡＢＡが長時間シナプス間隙に残留するとまずい場合が多いので、このような回収システムがすみやかに稼働すると思われます。

図１にもうひとつの役者ＶＧＡＴが●で登場しています。ＶＧＡＴとは小胞ＧＡＢＡトランスポーター（vesicular gaba transporter) の略称で、ＧＡＴとは全く異なるトランスポーターです。ＶＧＡＴはアミノ酸配列から９回膜貫通型のトランスポーターと考えられていて、細胞質のＧＡＢＡとグリシンをシナプス小胞内に取り込むことができます（１４）。小胞内にため込まれた神経伝達物質は、必要時にエキソサイトーシスによってシナプス間隙に排出されます（１５）。

参照

１） from wikipedia, original source is Nissen-Meyer LSH and Chaudhry FA., Corrigendum: Protein Kinase C Phosphorylates the System N Glutamine Transporter SN1 (Slc38a3) and Regulates Its Membrane Trafficking and Degradation. Front. Endocrinol. vol.8: p.190.(2017) doi: 10.3389/fendo.2017.00190
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fendo.2017.00190/full

２）Stephenson FA, Mukhopadhyay R.,Classics How the glycine and GABA receptors were purified., J Biol Chem. vol.287(48), pp.40835-40837.(2012)　doi: 10.1074/jbc.O112.000006.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23180805

３）Barnard EA, Darlison MG,Seeburg P., Molecular biology of GABAA receptor:The receptor/channel superfamily. Trends Neurosci vol.10: pp.502-509.(1987)
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0166223687901305

４）Grenningloh G,　Gundelfinger ED, Schmitt B,Betz H, Darlison MG, Barnard EA, Schonfield PR, Seeburg PH.,  Glycine vs GABA receptors. Nature vol.330: pp.25-26.(1987)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2823147

５）GABAA受容体
https://ja.wikipedia.org/wiki/GABAA%E5%8F%97%E5%AE%B9%E4%BD%93

６）脳科学辞典　ＧＡＢＡ受容体
https://bsd.neuroinf.jp/wiki/GABA%E5%8F%97%E5%AE%B9%E4%BD%93

７）Macdonald R.L. Olsen R.W., GABAA receptor channels. Annu. Rev. Neurosci. vol.17: pp.569-602 (1994)

８）Bowery N.G., GABAB receptors and their significance in mammalian pharmacology. Trends Pharmacol. Sci., vol.10: pp.401-407 (1989)

９）Bowery, N.G. and Brown, D.A., The cloning of GABA(B) receptors. Nature vol.386, pp.223-224. (1997)

１０）https://bsd.neuroinf.jp/wiki/GABA%E5%8F%97%E5%AE%B9%E4%BD%93

１１）Burmakina, S., Geng, Y., Chen, Y. and Fan, Q.R.,  Heterodimeric coiled-coil interactions of human GABAB receptor. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. vol.111, pp.6958-6963.(2014)

１２）Miho Terunuma, Diversity of structure and function of GABAB receptors: a complexity of GABAB-mediated signaling., Proc. Jpn. Acad., Ser. B 94, pp.390-411 (2018)
file:///C:/Users/User/Desktop/GABAb%20terunuma%20pjab-94-390.pdf

１３）Sadia Zafar and Ishrat Jabeen, Structure, Function, and Modulation of γ-Aminobutyric Acid Transporter 1 (GAT1) in Neurological Disorders: A Pharmacoinformatic Prospective. Front Chem. vol.6: article 397. pp.1-19 (2018)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6141625/

１４）脳科学辞典　小胞GABAトランスポーター
https://bsd.neuroinf.jp/wiki/%E5%B0%8F%E8%83%9EGABA%E3%83%88%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%B9%E3%83%9D%E3%83%BC%E3%82%BF%E3%83%BC

１５）脳科学辞典　シナプス小胞
https://bsd.neuroinf.jp/wiki/%E3%82%B7%E3%83%8A%E3%83%97%E3%82%B9%E5%B0%8F%E8%83%9E