[論文レビュー] The electrophysiology of the betacell based on single transmembrane protein characteristics

Michael Meyer‐Hermann|ArXiv.org|Feb 7, 2007

Pancreatic function and diabetes参考文献 38被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、全細胞測定ではなく、単一タンパク質の電導およびギャーニング動態を用いたボトムアップな数学的モデルを提示する。このモデルは、カルシウム活性化カリウム電流が従来の推定よりも小さいことを示し、バースト終了のための代替メカニズムとして、ナトリウム電流とカルシウムフィードバックが関与することを示唆する。これは、インスリン分泌ダイナミクスの既存モデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

The electrophysiology of betacells is at the origin of insulin secretion. Betacells exhibit a complex behaviour upon stimulation with glucose including repeated and uninterrupted bursting. Mathematical modelling is most suitable to improve knowledge about the function of various transmembrane currents provided the model is based on reliable data. This is the first attempt to build a mathematical model for the betacell-electrophysiology in a bottom-up approach which relies on single protein conductivity data. The results of previous whole-cell-based models are reconsidered. The full simulation including all prominent transmembrane proteins in betacells is used to provide a functional interpretation of their role in betacell-bursting and an updated vantage point of betacell-electrophysiology. As a result of a number of in silico knock-out- and block-experiments the novel model makes some unexpected predictions: Single-channel conductivity data imply that calcium-gated potassium currents are rather small. Thus, their role in burst interruption has to be revisited. An alternative role in high calcium level oscillations is proposed and an alternative burst interruption model is presented. It also turns out that sodium currents are more relevant than expected so far. Experiments are proposed to verify these predictions.

研究の動機と目的

• 全細胞測定ではなく、単一膜タンパク質の特性に基づいて、数学的に厳密なボトムアップなβ細胞電気生理学モデルを構築すること。
• 実験的に測定された単一チャネル特性から直接導出することで、過去のモデルにおける不一致を解消すること。
• 特にCa²⁺活性化K⁺および電圧依存性Na⁺チャネルを含む、主要なイオンチャネルの機能的役割を、バースト活動およびインスリン分泌の文脈で再評価すること。
• 更新されたバイオフィジカルパラメータに基づいて、シミュレーション上でのノックアウトおよびブロック実験を通じて、検証可能な予測を提供すること。

提案手法

• モデルは、実験データから得た単一チャネル電導およびギャーニングキネティクスを基礎とし、これらが細胞タイプに依存しないと仮定する。
• イオンチャネル活性は、ホッジキン＝フックスレー形式を用い、発表済みの単一タンパク質測定から得た電圧およびカルシウム依存性の活性化／不活性化ゲートを用いる。
• β細胞におけるタンパク質表面密度は自由パラメータとし、全細胞電導フィッティングと比較してパラメータ空間を最小限に抑える。
• モデルは、Nernstポテンシャルに基づくイオン勾配を用いて、KATP、電圧依存性K⁺、Ca²⁺（L型およびT型）、Na⁺、NCX、PMCAの主な膜透過電流を統合する。
• シミュレーションは、以前の最小モデル（Shermanら）のバースト行動を再現することで検証され、既知のダイナミクスと整合性を保つ。
• バーストおよびカルシウムオシレーションへの各チャネルの機能的寄与を調査するために、シミュレーション上でのパラメータ変更（ノックアウト／ブロック実験）を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一チャネル電導が小さいにもかかわらず、カルシウム活性化カリウムチャネルがβ細胞のバースト終了に果たす真の機能的寄与は何か？
• RQ2 電圧依存性ナトリウム電流はβ細胞バーストにどのように影響するのか？また、従来の推定よりも重要な役割を果たしているのだろうか？
• RQ3 全細胞データへのフィッティングなしに、単一タンパク質バイオフィジクスに基づくボトムアップモデルからバーストダイナミクスが出現するのか？
• RQ4 細胞内カルシウムダイナミクスは、バースト周波数の遅いオシレーショングの形状をどのように規定するのか？
• RQ5 タンパク質密度の変化は、モデルにおけるバーストパターンのロバストネスおよび安定性にどのように影響するのか？

主な発見

• 単一チャネル電導データは、カルシウム活性化カリウム電流が従来の推定よりもはるかに小さいことを示し、バースト終了におけるその役割が限定的であると示唆する。
• モデルは、神経系ではわずかにしか寄与しないナトリウム電流が、β細胞バーストにおいては従来の認識よりも顕著な役割を果たすと予測する。
• 代替的なバースト中断メカニズムが提案され、高濃度の細胞内カルシウムが電圧依存性Na⁺およびK⁺チャネルを介して膜電位を調整することによって、Ca²⁺活性化K⁺チャネルとは異なる経路でバースト終了が達成される可能性がある。
• モデルは、最小モデルフレームワークからバーストダイナミクスを成功裏に再現し、そのコア機能性を検証した。
• シミュレーションは、ATPによるKATPチャネルの不活性化が、初期脱分極の主なトリガーであると予測しており、実験的観察と整合する。
• 単一タンパク質ダイナミクスが実験データによって固定されているため、自由パラメータをタンパク質表面密度のみに絞ることで、モデルの予測力が向上した。