細胞生物学@エール

講義内容

はじめに

真核細胞の分泌経路は、タンパク質や脂質を細胞膜や特定の膜結合小器官に送り、細胞外に物質を放出するために使用されます。分泌には、構成的なものと制御されたものがある。構成的分泌はデフォルトの経路であり、主に細胞膜とある種の膜結合型小器官の物質を補充するために使われる。制御された分泌は、シグナルによって細胞膜と融合するまでの間、分泌物を貯蔵する分泌小胞で終止符を打つ。どちらのタイプの分泌も同じ経路を使うが、シグナル配列がタンパク質を制御された経路に向かわせる。細胞はまた、エンドサイトーシスによって細胞膜から物質を回収する。この物質は、細胞膜にリサイクルされるか、リソソームで分解される。

分泌経路の原理

タンパク質と脂質は、ERで合成され、ゴルジ体に運ばれる。タンパク質はゴルジ体で選別され、細胞膜、ライソゾーム、分泌小胞に送られる。膜結合コンパートメント間のタンパク質と脂質の輸送は、あるコンパートメントから芽生えた小胞が、後続のコンパートメントと融合することによって行われる。 Rabs、tethers、SNAREsは、小胞が正しい標的膜と融合する確率を高める。

グリコシレーション

グリコシレーションとは、タンパク質に糖が共有結合することで、小胞体内のほとんどのタンパク質で起こっている。糖鎖付加はタンパク質の折り畳みを助け、タンパク質を特定の小器官（例えば、リソソーム）に誘導し、タンパク質分解を抑制する。さらに、細胞表面や細胞を取り囲む細胞外マトリックスに存在する多くのタンパク質は、様々な生物学的目的のために高度にグリコシレーションされている。

N-linked glycosylationはERで起こり、アスパラギンのアミン基に14糖のグループが付加される。この基はN-アセチルグルコサミン、マンノース、グルコースの混合物である。グルコース残基は、タンパク質がゴルジ体に輸送される前に小胞体で除去される。ゴルジ体では、糖の除去や付加により、糖側鎖はさらに修飾される。

O-結合型糖鎖修飾は第二の形態で、セリンまたはスレオニンへの糖の付加を伴う。 O-結合型糖鎖形成はおそらくゴルジ体において単一の糖が付加されることにより開始される。他の酵素は2つのグループで糖を付加し、糖の側鎖は非常に長くなる。

ゴルジ体はユニークな生化学的組成を持つ膜システルナの積み重ねである。このシステナは通常、シス、メジアル、トランス、トランスゴルジネットワークと呼ばれ、タンパク質はERからシスに入り、TGNから出る。システナは、タンパク質上の糖側鎖を修飾するユニークな酵素群を含んでいるようである。例えば、マンノースは主に内側システルナで除去され、一方、ガラクトースはトランスシステルナで付加される。小胞には小胞の形成を促進し、小胞にタンパク質を動員するタンパク質の被膜がある。小胞はRabタンパク質とSNAREの組み合わせにより、正しい区画に標的化される。 Rabは小さなGTP結合タンパク質の大きなファミリーであり、分泌経路の各膜コンパートメントには固有のRabタンパク質が存在すると思われる。 SNAREは、小胞および膜コンパートメントに存在するタンパク質で、ペアを組んで融合を媒介する。 SNAREは別の大きなタンパク質ファミリーを構成し、異なるコンパートメントには固有のSNAREタンパク質が存在すると思われる。

Vesicule Formation

ERからの小胞の形成は最も明確に理解されているので、小胞の形成方法の例として役立てることができるだろう。そのメカニズムは他のコンパートメントでも同様であろう。タンパク質の被膜の組み立てが形成を促進し、被膜の組み立ては小さなGTP結合タンパク質Sar1の結合で始まる。 Sar1-GTPはERに結合し、小さなヘリックスをER膜二重層の外側リーフレットに挿入し、膜の湾曲を開始させる。 Sar1-GTPは、小胞の被膜を構成する他の2つのタンパク質セット、すなわち、カーゴタンパク質と結合するSec23-Sec24複合体および小胞の形成を促進するSec13-Sec31複合体をリクルートしている。ほとんどのタンパク質のカーゴ選択には、Sec23-24複合体と相互作用するシグナル配列が必要である。 ERの内腔に存在する可溶性タンパク質は、Sec23-Sec24と結合するシグナル配列を持つカーゴレセプターと結合する。 ERから小胞を取り囲むコート複合体はCOP IIと呼ばれる。

小胞を正しいコンパートメントにターゲットする

小胞が正しいターゲット膜と融合するために、2つのタンパク質セットがあるようである。一つは標的膜コンパートメントに局在し、小胞コートの構成要素と相互作用するテザーが関与している。細胞内ではいくつかの異なるテザーが同定されており、それぞれが異なる区画に局在しているようである。テザーはコンパートメント膜から細胞質へと伸びる構造を形成している。このことは、テザーが前の膜コンパートメントから到着した小胞と相互作用するのを助けるかもしれない。

小胞を適切な膜に正しく位置付けるのを助ける第二のタンパク質セットはSNAREsである。 SNAREはまた、膜間の融合を媒介する。小胞には1つのSNAREタンパク質（vSNARE）が存在し、膜区画には2〜3つのSNAREタンパク質（tSNARE）が存在する。小胞および膜コンパートメント上のSNAREタンパク質は、特異的に相互作用している。動物細胞は35種類のSNAREタンパク質を発現しているが、特定のSNAREセットのみが相互作用している。

膜融合

SNAREタンパク質は小胞とその標的膜区画の間の融合を媒介する。 SNAREタンパク質はらせん構造を形成する長い領域を含んでいる。 vSNAREとtSNAREのヘリカルドメインは相互作用し、ジッパーを上げたように見える。 vSNAREとtSNAREが完全に対になることで放出されるエネルギーが、小胞膜と区画膜の間の融合を促進すると考えられているが、正確なメカニズムはまだ不明である

一部の小胞は標的膜にドッキングするが融合はしない。例えば、分泌小胞は細胞が放出するシグナルを受けるまでタンパク質やその他の小分子を貯蔵している。分泌小胞の中には、vSNAREとtSNAREの相互作用によって細胞膜にドッキングするものがあるが、SNAREが完全にペアリングして膜融合を促進することは妨げられている。

Protein Sorting in trans-Golgi Network

トランスゴルジ網に到達すると、ほとんどのタンパク質は最終目的地に向かいます。細胞膜は絶えず脂質とタンパク質を交換する必要があるため、既定の経路は細胞膜への輸送であると思われる。その他のタンパク質は、リソソームや分泌小胞に振り分けられる。タンパク質をリソゾームへ送るシグナルには、糖の側鎖が関与している。リソソームタンパク質の多くは、シスゴルジで付加されるマンノース6-リン酸を含んでいる。マンノース6リン酸を結合する受容体はトランスゴルジ網に存在し、コートタンパク質をトランスゴルジ網にリクルートしている。小胞の周囲にはクラスリンが被膜を形成し、小胞はライソゾームタンパク質を蓄積した後、トランスゴルジ網から出芽する。この小胞はエンドソームと融合する。エンドソームの内腔はpHが低く、マンノース6-リン酸受容体がリソソームタンパク質から解離する。マンノース6リン酸受容体はトランスゴルジネットワークに戻され、リソソームタンパク質を含む小胞は機能的なリソソームに成熟する。

いくつかのタンパク質は分泌小胞に分類され、細胞が放出する信号を受けるまでこれらのタンパク質を貯蔵する。

エンドサイトーシス

細胞は外界に物質を放出するだけでなく、エンドサイトーシスによって細胞膜の外から物質を取り込むこともあります。エンドサイトーシスにはいくつかの形態があります。

貪食は、いくつかの細胞（マクロファージ、好中球）が微生物や死細胞などの大きな粒子を飲み込み、取り込むことを可能にします。貪食には、粒子の周りに細胞膜を突出させることが含まれる。突起はアクチン重合によって駆動される。

ピノサイトーシスは、はるかに小さな小胞（～100 nm）を形成し、細胞外液や細胞膜の一部を取り込むことができる。ピノサイトーシスの1つの形態として、クラスリンを介したエンドサイトーシスがあり、細胞が細胞表面から特定のタンパク質を取り込むことができる。

クラスリンを介したエンドサイトーシスは、細胞膜にピットが形成されることから始まる。ピットは細胞質側でアダプタータンパク質に囲まれ、クラスリンとピットを結びつけている。アダプターはまた、エンドサイトーシスの標的となる細胞膜のタンパク質と相互作用する。ピットには約1000個のタンパク質が入ることができる。クラスリンの重合によって小胞が形成され、最終的には細胞膜から切り離される。 GTPaseであるダイナミンがこのピンチオフ反応を触媒する。クラスリンでコーティングされた小胞はエンドソームと融合し、低pHによりリガンドを受容体から解離させる。その後、あるタンパク質は細胞膜に戻され、他のタンパク質はリソソームに運ばれて分解される。