[論文レビュー] Nonlinear conductance, rectification and mechanosensitive channel formation of lipid membranes

Karis Amata Zecchi, Thomas Heimburg|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2020

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 64被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、純粋なリン脂質膜が電圧依存性で機械的応答性を示すイオンチャネルを形成し、整流性のある電流-電圧（I-V）関係を示すことを示している。膜の深さを変化させることで圧力勾配を制御したパッチ・クラムプ記録により、2つの電導メカニズムを同定した：電圧に依存しない漏れ電流と、電圧に依存するチャネル形成プロセスで生じる離散的でチャネルに類似したイベント。主な発見は、リン脂質膜が電圧および機械的ストレスに依存する非線形的で外向き整流性を示し、ポテンシャルチャネル機能の背後にあるか、あるいはそれに並行して機能するリン脂質チャネルが生物膜において存在しうることを示唆している。

ABSTRACT

There is mounting evidence that lipid bilayers display conductive properties. However, when interpreting the electrical response of biological membranes to voltage changes, they are commonly considered as inert insulators. However, lipid bilayers under voltage-clamp conditions do not only display current traces with discrete conduction-steps indistinguishable from those attributed to the presence of protein channels. In current-voltage (I-V) plots they may also display outward rectification, i.e., voltage-gating. Surprisingly, this has even been observed in chemically symmetric lipid bilayers. Here, we investigate this phenomenon using a theoretical framework that models the electrostrictive effect of voltage on lipid membranes in the presence of a spontaneous polarization, which can be recognized by a voltage offset in electrical measurements. It can arise from an asymmetry of the membrane, for example from a nonzero spontaneous curvature of the membrane. This curvature can be caused by voltage via the flexoelectric effect, or by hydrostatic pressure differences across the membrane. Here, we describe I-V relations for lipid membranes formed at the tip of patch pipettes situated close to an aqueous surface. We measured at different depths relative to air/water surface, resulting in different pressure gradients across the membrane. Both linear and nonlinear I-V profiles were observed. Nonlinear conduction consistently takes the form of outward rectified currents. We explain the conductance properties by two mechanisms: One leak current with constant conductance without pores, and a second process that is due to voltage-gated pore opening correlating with the appearance of channel-like conduction steps. In some instances, these nonlinear I-V relations display a voltage regime in which dI/dV is negative. This has also been previously observed in the presence of sodium channels. ...

研究の動機と目的

• タンパク質を含まない純粋なリン脂質膜における非線形的電導および整流性の起源を調査すること。
• リン脂質膜がタンパク質チャネルに依存せずに、電圧依存性および機械的応答性のイオンチャネルを形成できるかどうかを特定すること。
• リン脂質二重層内の熱的フラクチュエーションおよび電磁的圧縮効果が、チャネルに類似した電導イベントを生じさせることを仮説する。
• リン脂質膜のI-V挙動を、特に開放確率および電導動態の観点から、電圧依存性カリウムチャネルと比較すること。

提案手法

• パッチ・パイペットの先端に形成されたリン脂質膜を用いたパッチ・クラムプ記録。
• パイペットの深さを系統的に変化させ、膜透過圧勾配を制御し、そのI-Vプロファイルへの影響を調査。
• 電流トレースの解析には、高速（容量性）および低速（構造的）な緩和プロセスを特定するための二重指数関数フィットを用いた。
• 電磁的圧縮効果および自発的分極の理論的モデリングを、曲げ電気効果および電圧オフセット効果を組み合わせて行った。
• パッチ実験の結果とブラック・リン脂質膜（BLM）実験を比較し、対称性および整流性の違いを評価した。
• リン脂質膜の開放確率曲線を、ホルキン＝ハクスリーおよびKvAPカリウムチャネルのものと定量的に比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タンパク質や高分子成分を一切含まない純粋なリン脂質膜が、電圧依存性で整流性のあるI-V挙動を示すことができるか？
• RQ2 膜透過圧勾配がリン脂質膜におけるチャネル形成および電導に及ぼす影響は何か？
• RQ3 リン脂質膜における電導のキネティクスおよび電圧依存性は、電圧依存性カリウムチャネルとどのように比較できるか？
• RQ4 観察されたI-Vプロファイルの背後にある2つの明確な電導メカニズムは何か？
• RQ5 非線形的I-V挙動、特に負の微分電導（dI/dV < 0）は、膜フラクチュエーションおよび電圧ゲーティングの熱力学的整合モデルで説明可能か？

主な発見

• パッチ・パイペット先端に形成されたリン脂質膜では、外向き整流性のI-Vプロファイルが一貫して観察され、電圧依存性のチャネル形成を示した。
• 非線形的I-V挙動、特に負の微分電導（dI/dV < 0）領域が観察された。これはナトリウムチャネルでも見られる特徴である。
• 電導メカニズムは2つの成分から構成される：電圧に依存しない漏れ電流と、離散的なチャネルに類似したイベントを生じる電圧依存性のチャネル形成プロセス。
• チャネル形成は電圧依存性であり、同時に機械的応答性でもあり、深さに依存するI-Vプロファイルおよびチャネル出現の変化によって裏付けられた。
• リン脂質膜におけるチャネルの開放確率は、ホルキン＝ハクスリーのカリウムチャネルおよびKvAPチャネルと類似しており、特に活性化の電圧依存性において類似していた。
• ブラック・リン脂質膜（BLMs）は整流性や電圧オフセットなしに対称的なI-V曲線を示したのに対し、パッチクラムプ法で得られたリン脂質膜は非対称で整流性のある挙動を示した。