生体の科学 69巻6号 (2018年12月)

特集 細胞高次機能をつかさどるオルガネラコミュニケーション

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 オルガネラ研究は長い歴史を持つが,そもそもオルガネラという概念が,細胞核と細胞質という粗い分類から一歩進化したのは,20世紀の電子顕微鏡の発明によって,従来の光学顕微鏡では見えなかった微細な構造が見えるようになったからにほかならない。しかし,更に時代が進むと,高い解像力で生きたままの細胞内のダイナミクスを観察したいというのがオルガネラ研究者の悲願となった。それが,GFPなどの優れた蛍光プローブの開発と光学顕微鏡技術の革新的な進歩によって,いま可能になりつつある。超解像のライブイメージングである。

 光の回折限界を超え,微小な構造を生細胞で観察できるようになると,それまで空想しかできなかった新しいオルガネラ像が見えてくる。オルガネラが,1つの機能単位として均一なものではなく,そのなかに更に機能分化したゾーンが存在するという考え方である。例えば,小胞体は,粗面小胞体と滑面小胞体に分類され,それぞれ異なる機能を持つということは古くから知られていたが,更に応答,輸送,接触など,機能の異なる複数のゾーンが存在することが明らかになりつつある。同様に機能を異にするゾーンは,ゴルジ体,ミトコンドリアなど,様々なオルガネラにみられ,それらがストレスに対する応答,オルガネラ間接触による連携,そして輸送分子の選別を行う選別輸送といった様々に分化した役割を担っていると考えると,オルガネラの機能をよりよく理解できる。すなわち,「オルガネラ・ゾーン」という新しい概念の誕生である。

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 小胞体は,分泌経路の入口としてタンパク質恒常性において極めて重要な役割を果たしている(図1)。分泌タンパク質と膜タンパク質は小胞体膜結合性リボソームで翻訳されると同時に小胞体内腔へ入り,高次構造を形成する(折り畳み)1)。正しい立体構造を獲得した分泌系タンパク質は,小胞体出口(532頁,黒川の稿を参照)を経てゴルジ体以降の分泌経路に進む。一方,高次構造形成に失敗したタンパク質は小胞体にとどめられ,やがて細胞質へ逆行輸送されて分解される(分解)2)。このように,分泌系タンパク質の品質は折り畳みと分解によって厳密に管理されている。しかしながら,様々な生理的・病理的条件下で,この品質管理機構に綻びが生じ,小胞体内に高次構造の異常なタンパク質が蓄積する。この小胞体ストレスが細胞機能に重篤な悪影響を及ぼさないように,すべての真核細胞には小胞体ストレス応答と呼ばれる恒常性維持機構が備えられている(応答)3)。このような多機能が整然と発揮されるためには,オルガネラ・ゾーン(オルガネラの内部に存在する機能場)という新しい概念を取り入れる必要があり,実際にそのようなデータが出始めている現状を解説する。

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 真核生物の細胞には,多種多様なオルガネラ(細胞小器官)が存在し,機能的な区画を形成している。真核生物の細胞の生命活動の維持には,これらのオルガネラでそれぞれ固有のタンパク質が正しく機能することが必要である。細胞内のタンパク質は,生合成後,それぞれ働くべき場所へと輸送され,またいったん目的地へと運ばれたのちも時々刻々とその局在を変化させながら機能している。そのために真核生物はタンパク質を正確に運ぶ輸送システムを獲得した。なかでも重要なものの一つが,オルガネラ間を小さな膜小胞などの膜構造を介してタンパク質を輸送する膜交通(小胞輸送とも呼ばれる)である。オルガネラのなかでも,ゴルジ体,液胞,エンドソームで機能するタンパク質や,細胞膜に輸送されるタンパク質,細胞外へ分泌されるタンパク質などは,いったん小胞体に標的化され,小胞体内腔あるいは小胞体膜上で高次構造を形成したのちに膜交通によりそれぞれのオルガネラへと輸送される。小胞体は膜交通のスタート地点のオルガネラであり,真核生物の細胞で新規に合成されるタンパク質の約1/3は,小胞体に結合したリボソームで合成され,小胞体内で糖鎖修飾,プロセッシングを受けたのちに正しい構造に折りたたまれたものが選択的に積荷タンパク質としてゴルジ体へと輸送される。

 本稿では,多様なタンパク質がどのように小胞体からゴルジ体へと選別輸送されるのか,出芽酵母をモデルとした研究を中心に,その一端を紹介する。

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 細胞核を包む膜(核膜)と小胞体膜は連続した構造をとっており,その中を膜タンパク質が移動する。また,細胞分裂時の核膜再構成は小胞体膜が材料となり進行する。これらの事実は,細胞核と小胞体の間に密接な機能的連携が成立していることを示唆している。本稿では,細胞核-小胞体間の多彩な機能的連携や,両者の協調的作用により形成される特殊な連携構造について最近の知見を織りまぜ概説する。

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 小胞体は分泌経路の起点としてタンパク質の合成・品質管理に関与するほか,カルシウムイオン(Ca2+)の貯蔵や,脂質を含む様々な物質の代謝の場となるなど多種多様な機能を有するオルガネラである。小胞体,ゴルジ体,細胞膜,エンドソーム,リソソームは小胞輸送を介したネットワークを形成しているが,小胞体と輸送小胞を直接やりとりするのはゴルジ体のみである。一方で,小胞体には様々なオルガネラと非常に近接した部位が存在することが電子顕微鏡観察により判明した。膜間距離が約10-30nmまで近接したゾーンは膜接触部位(membrane contact site;MCS)と呼ばれ,多様なオルガネラ間で観察されている。小胞体はMCSを介してほぼ全種のオルガネラや細胞膜と連携していると考えられつつある(図1)。現在までに,MCSにおけるオルガネラ間物質輸送やシグナル伝達を示唆する結果が多く報告されている。本稿では,そのなかから小胞体と他のオルガネラ間のMCSを介した脂質輸送について概説する。ミトコンドリアとの間の脂質輸送は田村らの稿(577頁)を参照されたい。

Ⅱ.ゴルジ体およびポストゴルジネットワーク

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 オートファジーとは,細胞内の自己構成成分(不要なタンパク質や変性オルガネラなど)を分解する細胞機能である。オートファジーの研究は,肝細胞の電子顕微鏡観察中に,二重膜を有するユニークな構造体が発見されたことが端緒となって,まず形態学的解析が進められた。オートファジーの初期段階では,まず隔離膜と呼ばれる小さな二重膜の構造物が形成される。この隔離膜は伸長すると共に彎曲し,細胞質やオルガネラを囲い込み,最終的には両端が融合したオートファゴソームができあがる。オートファゴソームが形成されると,その後にリソソームが直接融合し,リソソームの消化酵素によってその内容物が消化される1)(図1)。リソソームには,カテプシンなどのタンパク質分解酵素,リソソーム酸性リパーゼ,DNaseⅡなど様々な種類の消化酵素が含まれているため,内容物はほぼ完全に消化されることとなる。

 前述した形態学的特徴が解析されたのちに,哺乳動物細胞で見いだされたオートファジーが,出芽酵母においてもみられることが明らかとなった。この酵母でのオートファジー発見は,オートファジー研究の進捗を大幅に早めることとなった。すなわち,出芽酵母の遺伝学解析によって,オートファジーにかかわる分子が次々に明らかにされ,分子生物学的,生化学的解析が容易になったのである2)。現在,酵母のオートファジー関連遺伝子を基盤として,哺乳動物におけるオートファジー機構が解き明かされつつあるが,重要な分子に関しては,その構造,機能共に酵母から哺乳動物細胞まで保存されていることから,オートファジーはあらゆる真核生物に共通に存在する普遍的な細胞機能であることが明らかとなっている。

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 ほとんどの分泌・膜タンパク質は,小胞体やゴルジ体で様々な翻訳後修飾のなかから特定の修飾を受けることによって正しい機能を獲得する。このような多様で特異的な翻訳後修飾が混乱することなく行われるメカニズムの一つとして,筆者らは小胞体・ゴルジ体に存在するオルガネラ・ゾーンを見いだした。本稿では,その発見の経緯から最新の成果まで紹介する。

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 細胞内の細胞小器官の量は,細胞の需要に応じて厳密に制御されており,必要なときには必要な細胞小器官だけが必要なだけ増強される。このような細胞小器官の量的調節機構を行うためには,それぞれの細胞小器官と核との密接なオルガネラ・コミュニケーションが重要な役割を担っている1)。本稿では,ゴルジ体の量的調節機構であるゴルジ体ストレス応答について解説する。

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 腸の表面などを覆う上皮細胞はアピカル(apical)面(腸では内腔に面する側),バソラテラル(basolateral)面(腸では血管などに面する側)という方向性(極性)を持つ。極性を持つ細胞においては,色々なタンパク質が細胞内で,方向性のある輸送(極性輸送)によって目的地に運ばれる。国内外での細胞極性の研究は,これまでは主に培養細胞(特にイヌ腎尿細管由来のMDCK細胞)を用いて調べられ,バソラテラル面へ輸送されるタンパク質ではバソラテラル面へと運ばれるために必要なシグナル(アミノ酸配列)が同定された。しかし,アピカル面への輸送には糖鎖修飾や脂質(ラフト)との相互作用が選別に重要という結果は得られているが1,2),アピカル面へ輸送されるタンパク質のシグナルやどのようなタンパク質がそれを認識し,輸送や選別を行うかといった詳細な分子機構は解明できていない。

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 細胞内には,ミトコンドリアや小胞体などの様々なオルガネラ存在している。これまで,オルガネラはそれぞれが独立した機能を発揮することで細胞の機能発現や恒常性維持を推進していると考えられてきた。しかしながら,近年の研究から,オルガネラ間ではダイナミックな情報交換(コミュニケーション)が行われており,多様な生体応答に重要な役割を果たしていることが次々と明らかになっている。生体防御に不可欠な自然免疫機構の制御においても,オルガネラコミュニケーションは極めて重要な役割を果たしている。自然免疫機構は,pattern recognition receptors(PRR)と呼ばれるレセプター群を介して病原体の構成成分や生体内に生じるストレスを感知し,サイトカインやⅠ型インターフェロンを産生することにより炎症を惹起する。これまでに,Toll様受容体(Toll like receptor;TLR),RIG-I様受容体(RIG-I like receptor;RLR),NOD様受容体(NOD like receptor;NLR),cyclic GMP-AMP synthaseなどのPRRが発見されている1)。本稿では,これらのPRRを介して誘導される自然免疫応答の惹起,伝達,収束のメカニズムについて,オルガネラコミュニケーションの視座から概説する。

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 オルガネラの機能を理解するためには,オルガネラを構成しているタンパク質や脂質を理解することが重要である。しかしながら,生化学的な単離・精製が困難なオルガネラ(初期エンドソーム,後期エンドソーム,リサイクリングエンドソームなど)については,それらを構成している分子の情報がいまだに乏しい。

 筆者らはBioID法1)という近傍分子同定法を,オルガネラ膜脂質を認識するタンパク質性のプローブに応用し,そのことにより,リサイクリングエンドソームを構成するタンパク質について半網羅的な情報を得ることができた2)。BioID法と膜リン脂質結合プローブを組み合わせた本手法は,今後,オルガネラ連携などのオルガネラの高次機能を理解していくうえで,重要な技術になることが期待される。

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 細胞は細胞膜上にあるレセプター(受容体)を介して,自身を取り巻く環境から様々なシグナルを受け取り,これらシグナルに応じて適切な細胞応答を引き起こす。このようなレセプターの一つに上皮成長因子受容体(EGFR)があり,最も初期に同定されたチロシンキナーゼ型受容体ファミリーの一つである。細胞膜上でEGFリガンドにより活性化されたEGFRは,下流シグナル経路を活性化し細胞の増殖や分化,遊走などに重要な役割を果たしている。このとき,活性化したEGFRはエンドサイトーシスによって速やかに細胞内に取り込まれ,細胞内小器官エンドソームを経てリソソームに送られ分解される(図1)。この過程はEGFRシグナルのダウンレギュレーションに必須の過程である。過剰なEGFRシグナルが細胞のがん化につながることから,細胞内トラフィックを介したEGFRシグナルの制御機構は臨床的にも注目されてきた。近年の蛍光ライブイメージング技術や超解像顕微鏡技術を駆使した解析から,これまで考えられていた以上に,EGFRシグナルが細胞内トラフィックによって巧妙に制御されていることが明らかとなってきた。細胞膜上で活性化したEGFRは,秒単位で細胞内に取り込まれ,その後,分から時間単位で細胞内を渡り歩く。つまりEGFRのライフタイムのほとんどが細胞内であることを考えると,EGFRシグナルの制御に細胞内トラフィックが重要なのは当然のことではないだろうか。

 本稿では,最近明らかとなってきたエンドソームがEGFRシグナルをアナログからデジタルに変換するしくみや,細胞を過剰なシグナルから守り,かつ生理的に意味のある微弱なシグナルを拾い上げるしくみ,また他のオルガネラ(小胞体)とのコミュニケーションを介してEGFRシグナルを制御するしくみ,について概説する。

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 真核生物の細胞内構造の概念が,近年のオルガネラ研究によって急速に書き換えられつつある。これまでオルガネラは,その機能の独自性を維持するために,構造的に独立して存在すると考えられてきた。しかし近年の研究により,これまでとは全く異なるオルガネラ像が提唱されている。すなわち異なるオルガネラ同士が,安定に,直接結合する特殊化された領域(オルガネラ間コンタクトサイト)を形成し,オルガネラ間で物質をやりとりし得ることが,オルガネラの機能と構造の維持に必須であることがわかってきた。本稿では,ミトコンドリア・小胞体間コンタクトに関する最新知見をまとめる。

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 ミトコンドリアは多機能なオルガネラであり,酸素呼吸によるエネルギー生産のみならず,様々な細胞内の代謝や細胞シグナリングにも関与している。また,ミトコンドリアは細胞分化や細胞応答に伴ってその形態を大きく変化させ,ミトコンドリアの品質管理をはじめ多彩な細胞機能を制御している。本稿では,同一のオルガネラにおけるコミュニケーションであるミトコンドリアの融合と分裂を介した動的特性に着目して,ミトコンドリアの多彩な細胞機能について概説する。

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 ミトコンドリアは様々な局面でオートファゴソームに認識され選択的分解の基質となること,それによってミトコンドリアの品質や量,更にはミトコンドリアDNAの遺伝形式がコントロールされていることがわかってきた。本稿では哺乳類細胞や線虫C.elegansで明らかとなってきた知見をもとに,特定のミトコンドリアを認識し選択的に分解するしくみとその生理機能について紹介する。

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 ペルオキシソームは極長鎖脂肪酸のβ酸化をはじめとして,多くの重要な代謝機能を担う哺乳類をはじめ生命体の生存に必須な細胞内小器官(オルガネラ)である。ペルオキシソームの多様な機能およびその恒常性は,ペルオキシソームに固有のタンパク質(酵素)群が担っているが,これに加えて他のオルガネラとの機能的,物理的な連携による制御も明らかとなってきており,本稿では筆者らのグループの成果を中心に概説する。

連載講座 生命科学を拓く新しい実験動物モデル−17

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 クマムシという動物をご存知であろうか? 10年ほど前までは知る人ぞ知るマニアックな生物であったが,テレビやネットでもたびたび取り上げられるようになり,徐々に知られるようになってきた。マスメディアなどでは,“最強の動物”とか“何をしても死なない動物”などのように紹介されることが多いが,この世に不死身の動物などはいない。ただ,クマムシが通常の生物はとても耐えられないような様々な極限的な悪環境(ほぼ絶対零度の超低温や,真空,ヒトの半数致死量の1,000倍の放射線など)に耐えることができ,宇宙空間に曝露されても生存した初めての動物であることは事実である1)

 近年,クマムシの分子生物学的な解析を進めるための基盤が急速に整備され,動物の極限環境耐性を支える分子メカニズムへのアプローチが現実的なものになってきた。本稿では,ヒトをはるかに超える高い耐性能力を持つクマムシについて紹介させていただくと共に,最近明らかになってきたクマムシの耐性メカニズムの一端と哺乳類など他生物への応用も含めて紹介する。

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 顕微鏡技術の発展や各種蛍光プローブの開発などに伴い,顕微鏡観察は生物研究にとって身近かつ必須な実験手法となっている。一方で,身近・簡便になったからこそ,撮像や加工の原理を理解しないまま,データ処理を行ってしまう危険性も増している。本稿では顕微鏡画像を撮影したのちの画像解析や定量化について,経験の浅い方を想定読者と設定し,筆者が重要と考える7つのポイントを紹介する。

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 免疫学の飛躍的な進歩に伴い,近年,免疫細胞由来の分子を標的とした新たな薬物が多く開発されている。しかし,最終的に薬品として認可されるのは臨床治験に至った候補のごく一部に限られている。マウスを使った疾患モデルが標的分子の選択や前臨床治験以前での評価系に多用されている一方,マウスとヒトの免疫系における違いが治験での高い不成功率に関与している可能性は否めない。

 本稿では,ヒトとマウスの免疫系の違いとそのエビデンスを紹介したのちに,ヒト免疫の実験系の疾患の治療標的分子の選択における優位性について解説したい。更にヒト免疫研究のこれからの展望,重要性について述べたい。

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目次

次号予告

財団だより

あとがき 松田 道行
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 発見した分子や紡ぎだした概念に新しい名前を付けることは生命科学の本質である。本特集でも細胞内オルガネラ間のコミュニケーションに関わる数多くの新規分子や新規機能,そして「小胞体ストレス」などの日本発の概念が紹介され,「名前をつける喜び」こそが生物学の推進力だと感じる。一方,自分はといえば増え続ける膨大な情報量の前に途方に暮れている。本文は細胞膜関連Gタンパク質の会議直後にワシントンで書いているのだが,自分のノートをめくると初耳の単語の満載である。しかし,今や幸いなことに知らない名前や概念はネットで簡単に調べられ,あとから何とか理解できる。つまり,これからの生命科学者に求められるのは博学であることではなく,限られた容量の記憶に必要な情報を随時出し入れし,それを使って正解を導きだす才能なのである。

 昨年,日本学術会議の分科会(中野明彦委員長)は,高校生物で教える生物の重要単語を現在の約2,000から約500へと減らすべしという提言をした。高校生の生物離れの理由が重要単語の数の多さによるのかとか,単語を使わずにどうやって教えるのだとか,知識を問わない生物学の能力を測る入試問題など作れるのかとか,議論百出は確実であろうが,私はタイムリーな提言であったと思う。

基本情報

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生体の科学
69巻6号 (2018年12月)
電子版ISSN:1883-5503 印刷版ISSN:0370-9531 金原一郎記念医学医療振興財団

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