細胞生物学@エール

7月 25, 2021admin

講義内容

膜結合型オルガネラ

真核細胞は、オルガネラという単位として機能するタンパク質の集合体を持っています。

膜結合型オルガネラは、真核細胞にとっていくつかの利点があります。

膜結合小器官は真核細胞にとっていくつかの利点がある。まず、細胞は酵素と反応物をより小さな体積に集中、分離できるため、化学反応の速度と効率を高めることができる。第二に、細胞は有害なタンパク質や分子を膜結合型オルガネラに閉じ込めることができ、その有害な影響から他の細胞を保護することができる。例えば、膜結合小器官であるライソゾームには、タンパク質、核酸、脂質を消化する酵素が多く含まれている。もし、これらの酵素が細胞質内に放出されると、細胞のタンパク質や核酸、脂質を噛み砕き、細胞死に至る可能性がある。

細胞質の微小管組織

オルガネラやタンパク質は通常、細胞内にランダムに分布しているのではなく、必要な領域に局在させることで組織化されています。細胞は微小管とモータータンパク質を利用して、オルガネラを局在化させている。微小管は、細胞質全体に伸びる長いフィラメントである。

微小管は、αおよびβチューブリンのヘテロダイマーからなるポリマーである。チューブリンは線状のプロトフィラメントに重合し、微小管は13本のプロトフィラメントが中空の芯を持つ円柱状に配列している。微小管は、マイナス端とプラス端に極性化される。微小管はプラス端からチューブリンサブユニットを追加して成長していく。微小管のマイナス端は不安定であり、微小管組織化センター（MTOC）のタンパク質によって安定化されている。 MTOCが細胞の中心にある場合、微小管はプラス端が細胞膜に向かって放射状に伸びる

キネシンとダイニンはATP加水分解によるエネルギーを利用して微小管に沿って歩行している。両者とも、微小管に結合し、ATPを加水分解するモータードメインを持つ。モータードメインは微小管に沿った動きを生み出す。キネシンの多くは、微小管のプラス端に向かって歩くが、ダイニンはマイナス端に向かって歩く。これにより、細胞は微小管に沿ったオルガネラの分布を制御する2つの手段を手に入れたことになる。また、キネシンとダイニンには、それぞれ異なるオルガネラに結合するカーゴバインディングドメインが存在する。キネシンは大きなタンパク質ファミリーであり、貨物結合ドメインは最も多様で、キネシンファミリーの異なるメンバーが異なるオルガネラに結合することを可能にしている。

アクチンフィラメントも細胞物質の輸送を支えていますが、微小管よりもはるかに短い距離で輸送します。アクチンフィラメントは、小さな球状タンパク質であるアクチンの重合体である。アクチンフィラメントは、アクチンのらせん状の配列であり、微小管と同様にプラス端とマイナス端があり、プラス端からより容易に伸長する。アクチンフィラメントには微小管のような横方向の広がりがなく、通常、微小管よりはるかに短い。

アクチンフィラメントは、アクチンフィラメントに沿って力を発生させることができるモータータンパク質の一種である。

ミオシンはアクチンフィラメントに沿って力を発生させることができるモータータンパク質で、細胞の収縮（すなわち筋肉の収縮）に関与するものもあれば、小器官の動きや位置決めをサポートするものもある。クラスVミオシンは、いくつかの異なる種類の細胞において、小器官の輸送に関与している。クラスVミオシンは、キネシンと同様に、アクチンフィラメントに結合するモーター領域を持ち、ATP加水分解のエネルギーを使ってフィラメントに沿って歩行する。ミオシンVのC末端はオルガネラに結合する。

オルガネラの輸送と位置決めのために、細胞はしばしば微小管とアクチンフィラメントの両方を用いる。微小管、キネシン、ダイニンは長距離（数ミクロン以上）のオルガネラの移動に使われ、アクチンフィラメントは短距離（例えば、細胞膜付近）のオルガネラの移動に使われます。

シグナル配列

異なるオルガネラと細胞膜の同一性と機能を維持するために、細胞はオルガネラや他の細胞内区画に特定のタンパク質を標的化する必要があります。これらのタンパク質のほとんどは、シグナル配列と呼ばれる短い配列を持ち、それが細胞内の位置を決定している。シグナル配列はタンパク質のどこにでも存在することができるが、多くの場合、N末端に存在する。同じオルガネラをターゲットとするシグナル配列は、一次配列が同じでないことが多い。シグナル配列がタンパク質をオルガネラに誘導するかどうかは、通常、その配列の全体的な生化学的特性によって決定される。

膜結合型オルガネラへのタンパク質の取り込み

オルガネラを取り囲む膜がタンパク質の通過を制限するため、オルガネラは細胞質からタンパク質を取り込むための異なるメカニズムを発展させてきた。ほとんどのオルガネラは、孔を形成する一連の膜タンパク質を含んでいる。この孔は、正しいシグナル配列を持つタンパク質の通過を可能にする。

小胞体へのタンパク質の取り込み

分泌、細胞膜、分泌経路のいずれかのオルガネラに向かうタンパク質は、まず小胞体に挿入されます。ほとんどのタンパク質は、小胞体上のリボソームで合成され、共翻訳的に小胞体を通過する。可溶性タンパク質（オルガネラの内腔に存在する、あるいは分泌されるタンパク質）も膜タンパク質も、同じメカニズムでERにターゲットされ、移動する。

ERタンパク質のシグナル配列は、通常N末端に存在する。シグナル認識粒子（SRP）は6つのタンパク質と1つのRNAからなる複合体で、シグナル配列が翻訳されるとすぐに結合する。また、SRPはリボソームと相互作用し、翻訳を停止させる。 ER膜の表面には、SRPの受容体が存在する。 SRPの受容体は、SRP、新生ERタンパク質、およびリボソームをERにリクルートする。 SRP受容体はSRPをシグナル配列から解放し、ER膜上で翻訳を継続させる。

ER膜上のリボソームはトランスロケーターというタンパク質と結合する。トランスロケーターは膜貫通タンパク質であり、水孔を形成している。トランスロケーターは膜貫通型のタンパク質で、水孔を形成している。この水孔を通って、新たに合成されたERタンパク質がER膜を横切って輸送される。

可溶性タンパク質は完全にチャネルを通過し、シグナル配列はチャネルに残り、ERの内腔にあるプロテアーゼによって残りのタンパク質から切断される。

内在性膜タンパク質には、シグナル配列の下流に転送停止配列がある。

一体型膜タンパク質には、シグナル配列の下流に転送停止配列があり、この転送停止配列によってチャネルを介した移動が停止し、転送停止配列以降のタンパク質はERの外に存在する。インテグラル膜タンパク質は、N末端またはC末端のいずれかがERの内腔に存在するように移動することができる。 C末端が内腔にあるタンパク質は、内部にシグナル配列を持つ傾向がある。

膜を何度も通過するタンパク質もあり、そのようなタンパク質は、転送停止配列の後に、チャネルを通してタンパク質の転送を再開させる転送開始配列を持っている。

タンパク質の中には、膜を数回またぐものもあり、そのようなタンパク質は、転送停止配列の後に転送開始配列を持っています。膜を数回通過するタンパク質を作るには、停止配列と始動配列が交互に複数回必要である。

タンパク質は小胞体に入ると、三次元の構造に折り畳まれる。シャペロンやグリコシル化など、タンパク質の折り畳みを助ける機構がいくつか存在する。

ミトコンドリアへのタンパク質の標的化

ミトコンドリアには独自のゲノムがありますが、ほとんどのミトコンドリアタンパク質は核遺伝子によってコードされており、それらのタンパク質をミトコンドリアに標的化して取り込むメカニズムが必要です。小胞体に取り込まれるタンパク質と同様に、ミトコンドリアタンパク質にもミトコンドリアに取り込まれるためのシグナル配列が存在する。小胞体タンパク質とは異なり、ミトコンドリアタンパク質は翻訳後に輸入される。

ミトコンドリアへのタンパク質輸入は、ERへの輸入と似ているが、ミトコンドリアの周りに2つの膜が存在するため複雑である。ミトコンドリアのタンパク質は、外膜、内膜、膜間空間、マトリックス（内膜の内側の空間）に存在することができる。したがって、ミトコンドリアには、外膜と内膜を横断するタンパク質の通過を可能にするトランスロケータが存在する。

タンパク質のミトコンドリアへの移行

タンパク質をマトリックスに移行させるシグナル配列は、通常N末端に存在する。このシグナル配列はTOM複合体中のタンパク質によって認識される。 TOM複合体はタンパク質を内膜腔に渡し、内膜のTIM複合体はタンパク質をマトリックスに渡す。 TOM複合体とTIM複合体は、しばしば一緒になって、両方の膜を越えてタンパク質を移動させる。ミトコンドリア膜を越える輸送は、エネルギーに依存している。マトリックス内のシャペロンは、内膜を越えてタンパク質を「引っ張る」のを助けるが、機能するにはATP加水分解が必要である。

内膜に輸送されるタンパク質は、マトリックスタンパク質と同様のメカニズムで輸送されますが、TIM複合体によって認識される停止配列が含まれています。外膜を標的とするタンパク質は、外膜を越えて膜間隙に移動し、SAMトランスロケーターによって外膜に取り込まれる。

核タンパク質の輸入と輸出

ERやミトコンドリアとは対照的に、核は主に可溶性タンパク質を輸入している。さらに、タンパク質はしばしば核と細胞質間を行き来し、細胞は核の輸出入を利用していくつかの重要な生化学的経路を制御している。核は2枚の膜に囲まれ、その膜には何千もの核膜孔があり、そこからタンパク質や他の高分子（RNA、リボソーム）が核に出入りしている。核膜孔は、内核膜の下にある細胞骨格ネットワークであるラミンによって膜に安定化され、膜に構造的な支持を与えている。核膜孔は、大きさに応じて物質の通過を制限している。〜30kDより小さいものは孔を越えて自由に拡散するが、大きな分子は出入りする方法が必要である。

核から細胞質を区別する

核に出入りするタンパク質の指示された輸送を生み出すために、タンパク質は自分が細胞質にいるのか核の中にいるのか知らなければなりません。核と細胞質を区別するために、細胞はRanと呼ばれる小さなGTP結合タンパク質を使用します。他のGTP結合タンパク質と同様に、RanはGTP結合状態またはGDP結合状態のいずれかで存在します。これらの状態の切り替えは、2つのタンパク質によって触媒される。 Ran-GAP（GTPase活性化タンパク質）は、GTPの加水分解を触媒してRan-GDPを生成する。 Ran-GEF (guanine nucleotide exchange factor) は、GDPの遊離とGTPの再結合を触媒し、Ran-GTPを生成する。 Ran-GAPは核膜孔の細胞質側に局在するのに対し、Ran-GEFはクロマチンに結合しているため核内に局在している。その結果、核内のほとんどのRanはGTPに結合し、細胞質内のほとんどのRanはGDPに結合する。

核輸入

レセプター（インプリン）は、タンパク質中の核輸入配列に結合する。また、インポート因子は核膜孔の細胞質側から伸びるフィラメントと相互作用する。未知のメカニズムにより、インプリンは核膜孔を通過し、荷物と結合する。核膜孔の内部でインポーティン-カーゴ複合体はRan-GTPに遭遇する。

核輸出

核に入る多くのタンパク質は、細胞質に輸出されなければならない（例えば、インポーティン）。これらのタンパク質には核輸出配列があり、エキスポーティンと呼ばれる受容体と相互作用している。 Ran-GTPはこのexportin-cargo複合体に結合し、相互作用を安定化させる。エキスポーティン-カーゴ-RanGTP複合体は孔を通過し（機構は不明）、細胞質側でRan-GAPに出会う。

ペルオキシソームへのタンパク質の取り込みとゼレウィガー症候群

ペルオキシソームは小さな小器官（直径約1μm）で、細胞にとってさまざまな機能を担っている。

ペルオキシソームの標的となるタンパク質は、Pexタンパク質と呼ばれるタンパク質群によって認識されるシグナル配列を含んでいます。

Pexタンパク質に変異がある細胞は、ペルオキシソームにタンパク質を取り込むことができず、その結果、ペルオキシソームが欠損してしまいます。 Pexタンパク質の変異は、ツェレウェガー症候群と呼ばれる一連の疾患と関連している。ゼレヴェガー症候群では、乳児は筋緊張を欠き、しばしば哺乳する能力もない。また、頭蓋顔面異常や肝臓の肥大も見られます。ゼレヴェイガー症候群に罹患した乳幼児の予後は悪く、ほとんどが1年以上生存できない。

ペルオキシソームはミエリンに含まれる脂質の合成に寄与しているため、ゼルウェガー症候群の患者はしばしば神経細胞の髄鞘形成が不十分であることを示すことが知られています。髄鞘形成は、信号を標的細胞に伝えるという神経細胞の機能にとって重要です。