Effect of ATP on Calcium Channel Modulation in Rat Adrenal Chromaffin Cells

ATP in quantity co-stored with neurotransmitters in the secretory vesicles of neurons, by being co-released with the neurotransmitters, takes an important role to modulate the stimulus-secretion response of neurotransmitters. Here, in this study, the modulatory effect of ATP was studied in $Ca^{2+}$ channels of cultured rat adrenal chromaffin cells to investigate the physiological role of ATP in neurons. The $Ca^{2+}$ channel current was recorded in a whole-cell patch clamp configuration, which was modulated by ATP. In 10 mM $Ba^{2+}$ bath solution, ATP treatment (0.1 mM) decreased the $Ba^{2+}$ current by an average of $36{\pm}6%$ (n=8), showing a dose-dependency within the range of $10^{-4}{\sim}10^{-1}mM$. The current was recovered by ATP washout, demonstrating its reversible pattern. This current blockade effect of ATP was disinhibited by a large prepulse up to +80 mV, since the $Ba^{2+}$ current increment was larger when treated with ATP ($37{\pm}5%$, n=11) compared to the control ($25{\pm}3%$, n=12, without ATP). The $Ba^{2+}$ current was recorded with $GTP{\gamma}S$, the non-hydrolyzable GTP analogue, to determine if the blocking effect of ATP was mediated by G-protein. The $Ba^{2+}$ current decreased down to 45% of control with $GTP{\gamma}S$. With a large prepulse (+80 mV), the current increment was $34{\pm}4%$ (n=19), which $25{\pm}3%$ (n=12) under control condition (without $GTP{\gamma}S$). The $Ba^{2+}$ current waveform was well fitted to a single-exponential curve for the control, while a double-exponential curve best fitted the current signal with ATP or $GTP{\gamma}S$. In other words, a slow activation component appeared with ATP or $GTP{\gamma}S$, which suggested that both ATP and $GTP{\gamma}S$ caused slower activation of $Ca^{2+}$ channels via the same mechanism. The results suggest that ATP may block the $Ca^{2+}$ channels by G-protein and this $Ca^{2+}$ channel blocking effect of ATP is important in autocrine (or paracrine) inhibition of adrenaline secretion in chromaffin cell.

흰쥐 부신 크로마핀 세포 칼슘통로 조절에 미치는 ATP의 효과

뉴론에서 ATP는 분비 과립내에 신경전달물질과 함께 다량 저장되어 있다가 신경전달물질과 함께 분비되는 것으로 알려져 있으므로 신경전달물질의 자극-분비(stimulus-secretion) coupling 과정에 있어 중요한 조절작용을 할 것으로 기대된다. 그러므로 본 연구에서는 뉴론과 그 발생학적 기원이 동일한 부신수질 세포(adrenal chromaffin cell)를 대상으로 하여 세포막 칼슘통로를 통한 세포막 전류에 미치는 ATP의 영향을 측정함으로써 신경전달물질이 자극-분비 coupling 과정에 작용하는 ATP의 조절 작용을 알아보고자 하였다. 부신수질 세포의 칼슘통로를 통한 세포막 전류는 패치클램프 테크닉으로 기록하였다. 10 mM $Ba^{2+}$을 포함한 세포 외 용액에서, $Ba^{2+}$ current는 0.1 mM ATP를 세포외부에 처치했을 때, 평균 $36{\pm}6%$ (n=6) 감소되어 나타났고 ATP를 씻어준 후 전류는 다시 회복되는 가역적 반응을 보였다. ATP의 전류 억제 기전을 알아보고자 칼슘통로에서 관찰되는 현상 중의 하나인 소통(facilitation)현상을 기록하였다. +80 mV의 큰 prepulse를 준 후 바로 테스트 펄스를 주며 측정한 전류는 큰 prepulse에 의해 억제효과가 풀리는(disinhibition) 현상을 나타내었다. ATP 처치 후 큰 자극을 주어 $37{\pm}5%$ (n=11)의 $Ba^{2+}$ 전류 증가가 있었고 이는 ATP가 없는 상태에서 순수하게 큰 자극에 의해 소통되는 $25{\pm}3%$ (n=12)과 유의한 차이를 보였다(p<0.05). ATP의 억제 기전이 G-protein을 매개로 한 것인지를 알아보고자 가수분해 되지 않는 GTP 유도체인 $GTP{\gamma}S$를 세포 내에 준 후 $Ba^{2+}$ 전류를 기록하였다. $GTP{\gamma}S$에 의해 55%의 전류 크기의 감소가 있었고 이 환경에서 큰 prepulse를 인가하였을 때 $34{\pm}4%$ (n=19)의 소통현상을 보였다. 이는 $GTP{\gamma}S$가 없는 환경에서의 $25{\pm}3%$ (n=12)의 소통현상을 보인 것과 유의한 차이를 보였다(p<0.05). $Ba^{2+}$ current trace의 활성화 과정(activation)을 curve-fitting한 결과, control은 single exponential curve로 fitting된 반면, ATP 또는 $GTP{\gamma}S$를 처치한 경우, 그리고 ATP와 $GTP{\gamma}S$ 모두 처치한 경우에서는 double-exponential curve로 가장 잘 fitting이 되었다. 즉, ATP나 $GTP{\gamma}S$를 처치했을 때 모두 전류가 더 느리게 활성화되는 모양을 나타내었고, 이상의 결과로 미루어 ATP와 $GTP{\gamma}S$는 같은 방식으로 칼슘통로를 억제하고, 이러한 억제효과는 세포막에 아주 큰 전압을 걸어주면 칼슘 통로에 결합했던 G-protein이 막전압 의존적으로 떨어짐으로써 소실(disinhibition)된다고 해석된다. 본 연구에서 확인한 ATP의 칼슘통로 억제효과는 자체 크로마핀 세포 또는 주변 세포에서 아드레날린이 적게 분비되게 하는 autocrine 또는 paracrine inhibition 과정의 중요한 기전으로 작용할 것이다.