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ASIC 은 수소이온에 의해 활성화되는 양이온 채널로서 신경계에서 대표적 pH센서로 작용한다. 수소이온은 통증을 유발하는 염증, 국소 빈혈, 감염, 암과 같은 병리생리학적인 상태에서 분비되며, 정상적인 시냅스 활동에서도 ...

ASIC 은 수소이온에 의해 활성화되는 양이온 채널로서 신경계에서 대표적 pH센서로 작용한다. 수소이온은 통증을 유발하는 염증, 국소 빈혈, 감염, 암과 같은 병리생리학적인 상태에서 분비되며, 정상적인 시냅스 활동에서도 신경전달물질로 역할을 하는 것으로 알려져 있다. ASIC 을 통한 생리학적 pH 변화의 감지는 침해 수용 (nociception), 가려움증, 통각, 미각, 학습과 기억, 공포 등에 관련되어 있다. 이러한 ASIC 의 중요성에도 불구하고, 이 이온채널에 관한 조절 기작에 대해서는 아직 구체적인 연구가 많이 되어 있지 않다. 본 연구에서는 ASIC 의 조절 기작에 대해 크게 두 부분으로 나누어 연구하였다. 첫 번째 연구에서는 ASIC 이 많은 수용체와 이온채널들의 활성에 중요한 보조요인으로 작용하는 세포막 인지질에 의해 조절 받는가에 관해 연구하였다. 두 번째 연구에서는 ASIC 소단위체들 간에 서로 다른 세포막 운송 기작에 대해 연구하였다.
먼저, ASIC 이 세포막 인지질에 의해 조절 받는지 연구하기 위해 또 다른 수소이온을 감지할 수 있는 이온채널인 TRPV1 (transient receptor potential vanilloid 1) 을 이용하여 이들의 세포막 인지질에 대한 민감도를 비교하였다. 그 결과, ASIC 은 활성에 세포막 인지질인 PI(4)P 과 PI(4,5)P2 를 필요로 하지 않는 반면, TRPV1 의 활성은 PI(4)P 과 PI(4,5)P2 를 동시에 고갈시켰을 때 감소되는 것을 관찰하였다. PI(3,4,5)P3 의 D3 위치의 인산기만 특정적으로 탈인산화시킬 수 있는 새로운 키메라 단백질인 CF-PTEN 을 이용하여 ASIC 뿐 아니라 TRPV1 의 활성도 PI(3,4,5)P3 에 의해 조절 받지는 않는다는 것을 관찰하였다. 마지막으로 이 이온채널들에 대한 아라키돈산의 효과를 살펴보았다. 아라키돈산이 ASIC 과 TRPV1 의 전류를 모두 증가시켰지만, 전류가 회복되는 양상은 다름을 알 수 있었다. 따라서, ASIC 과 TRPV1 은 수소이온의 센서로서 같은 역할을 하고 있지만 세포막 인지질인 PI(4)P, PI(4,5)P2, 그리고 아라키돈산에 의해 다르게 조절 받는다는 것을 알 수 있다.
두 번째 연구에서는 ASIC 의 세포막 운송 기작을 밝힘으로 이 이온채널의 세포 내 활성 조절 기전을 연구하였다. 세포 내에서 새롭게 합성된 수용체 혹은 이온채널들은 세포 내의 알맞은 위치로 운송되어야 활성화될 수 있기 때문에 세포 내에서 이온채널의 운송은 매우 중요하다. 다양한 질병들이 이온채널의 세포막 운송에 있어서의 결함으로 인해 발생된다. 본 연구에서는 특별히 ASIC2 소단위체에 초점을 맞추었다. ASIC 의 소단위체들 중 ASIC2a 와 ASIC2b 는 ACCN1 이라는 유전자에서 파생된 splicing variants 이다. ASIC2a 와는 달리 ASIC2b 는 수소이온을 감지하지 못하는데, 이에 관한 기전에 대해서는 깊은 연구가 필요하다. 본 연구에서는 ASIC2 소단위체들이 세포 내에서 서로 다른 위치에 분포하고 있음을 밝혔다. ASIC2a 는 그 자체만으로도 세포막으로 잘 운송되는 반면, ASIC2b 는 소포체에 머물러 있다. 서로 다른 세포 내 운송 기작을 밝히기 위해 유전자 변형기법을 이용하여 ASIC2 키메라들을 만들었고, 이를 통해 ASIC2a 의 TM1 (the first transmembrane) 도메인과 TM1 근접의 17개 아미노산이 세포막으로의 운송에 중요한 부분이라는 것을 발견했다. ASIC2b 에서 이 부분을 ASIC2a 의 해당 아미노산 서열로 치환했을 경우, 세포막으로 이동하고 수소이온도 감지할 수 있음을 관찰하였다. 이에 더해, TM1 근접의 17개 아미노산이 ASIC2 의 수소이온 감지에 중요한 역할을 한다는 것을 발견하였다. 마지막으로 ASIC2b 가 ASIC2a 와 복합체 (heteromer) 를 형성함으로써 소포체로부터 이탈되어 세포막으로 운송될 수 있다는 것을 발견하였고, 복합체를 형성하는데 소단위체들 간의 N-말단 상호작용이 중요하다는 것을 밝혔다.
추가적으로, ASIC2a 가 다른 소단위체인 ASIC3 의 세포막 운송 또한 증가시킨다는 것을 발견하였다. ASIC2a 는 대부분 소포체에 분포하는 ASIC3 를 세포막으로 이동시켰으며, AISC2a 에 의한 ASIC3 의 세포막으로의 운송은 전류의 sustained component 을 상당히 증가시켰다. 본 연구 결과는 ASIC 의 지금까지 알려져 있지 않았던 세포막 운송 기작을 밝힘으로 매우 큰 의미를 내포하고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Acid-sensing ion channels (ASICs) are proton-activated cation channels that play important roles as typical proton sensors in the nervous system. Protons are released in pain-generating pathophysiological conditions such as inflammation, ischemic stroke, infection, and cancer. During normal synaptic...

Acid-sensing ion channels (ASICs) are proton-activated cation channels that play important roles as typical proton sensors in the nervous system. Protons are released in pain-generating pathophysiological conditions such as inflammation, ischemic stroke, infection, and cancer. During normal synaptic activities, protons also act as a neurotransmitter. Perception of physiological pH changes through ASICs are implicated in nociception, itch, mechanosensation, taste transduction, learning and memory, and fear. In spite of their importance in proton sensing, regulatory mechanisms of these channels still need to be further investigated. In this study, we studied the regulatory mechanisms of ASICs by dividing into two parts. In the first part, we examined whether these channels are regulated by membrane phospholipids, which are general cofactors of many receptors and ion channels. In the second part, we investigated differential surface trafficking mechanisms of ASIC subunits.
Firstly, we studied the sensitivity toward membrane phospholipids of ASICs by comparing with that of another proton-sensitive ion channel, transient receptor potential vanilloid 1 (TRPV1) channel. We observed that ASICs do not require membrane phosphatidylinositol 4-phosphate (PI(4)P) or phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PI(4,5)P2) for their function. However, TRPV1 currents were inhibited by simultaneous breakdown of PI(4)P and PI(4,5)P2. By using a novel chimeric protein, CF-PTEN, that can specifically dephosphorylate at the D3 position of phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate (PI(3,4,5)P3), we also observed that neither ASICs nor TRPV1 activities were altered by depletion of PI(3,4,5)P3 in intact cells. Finally, we compared the effects of arachidonic acid (AA) on two proton-sensitive ion channels. We observed that AA potentiates the currents of both ASICs and TRPV1, but that they have different recovery aspects. Taken together, ASICs and TRPV1 have different sensitivities toward membrane phospholipids, such as PI(4)P, PI(4,5)P2, and AA, although they have common roles as proton sensors.
In the second part, we investigated the regulatory mechanisms of ASICs by revealing surface trafficking mechanisms of ASICs. It is important that newly synthesized receptors or ion channels correctly target their final cellular destinations for their function. Diverse physiological disorders are linked with defects in ion channel surface trafficking. In this study, we focused on ASIC2 subunits in particular. Among the ASIC subunits, ASIC2a and ASIC2b are alternative splicing products from the same gene, ACCN1. It has been shown that ASIC2 isoforms have differential subcellular distribution: ASIC2a targets the cell surface by itself, while ASIC2b resides in the ER. However, the underlying mechanism for this differential subcellular localization remained to be further elucidated. By constructing ASIC2 chimeras, we found that the first transmembrane (TM1) domain and the proximal post-TM1 domain (17 amino acids) of ASIC2a are critical for membrane targeting of the proteins. We also observed that replacement of corresponding residues in ASIC2b by those of ASIC2a conferred proton-sensitivity as well as surface expression to ASIC2b. We finally confirmed that ASIC2b is delivered to the cell surface from the ER by forming heteromers with ASIC2a, and that the N-terminal region of ASIC2a is additionally required for the ASIC2a-dependent membrane targeting of ASIC2b. Together, our study supports an important role of ASIC2a in membrane targeting of ASIC2b.
In addition, we also found that ASIC2a has an important role in facilitating ASIC3 surface expression. ASIC2a also efficiently delivered ASIC3 which are predominantly accumulated in the ER with partial distribution in the plasma membrane to the cell surface. We also observed that the ASIC2a-dependent surface trafficking of ASIC3 remarkably enhanced the sustained component of the currents. Our study demonstrates that ASIC2a can increase the membrane conductance sensitivity to protons by facilitating the surface expression of ASIC3 through heteromeric assembly.

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