オートファジー

オートファジー（またはオートファゴサイトーシス、ギリシャ語のαὐτόφαγος、autóphagos、「自己貪食」^{[ 1 ]}とκύτος、kýtos、「空洞」を意味する）^{[ 2 ]}は、リソソーム依存的な制御機構を介して不要なまたは機能不全の構成要素を除去する、生物学的細胞の自然で保存された分解です。^{[ 3 ]}細胞構成要素の秩序だった分解とリサイクルを可能にします。^{[ 4 ] [ 5 ]}当初は飢餓から身を守るために誘導される原始的な分解経路として特徴付けられていましたが、オートファジーは飢餓状態ではない細胞の恒常性にも重要な役割を果たしていることがますます明らかになっています。 ^{[ 6 ]}オートファジーの欠陥は、神経変性や癌を含むさまざまなヒト疾患と関連付けられており、これらの疾患の潜在的な治療法としてオートファジーを調節することへの関心が急速に高まっています。^{[ 6 ] [ 7 ]}

オートファジーには、マクロオートファジー、ミクロオートファジー、シャペロン介在オートファジー（CMA）、クリノファジーの4つの形態が確認されています。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}マクロオートファジー（最も徹底的に研究されているオートファジーの形態）では、細胞質成分（ミトコンドリアなど）が標的とされ、オートファゴソームと呼ばれる二重膜小胞内で細胞の残りの部分から隔離されます。^{[ 11 ] [ 12 ]}やがて、利用可能なリソソームと融合し、廃棄物管理と処理という特殊なプロセスをもたらします。最終的に、小胞の内容物（現在はオートリソソームと呼ばれています）は分解され、リサイクルされます。クリノファジー（最も知られておらず、研究されていないオートファジーの形態）では、不要な分泌顆粒が分解され、リサイクルされます。^{[ 8 ]}

疾患においては、オートファジーはストレスに対する適応反応として細胞の生存を促進すると考えられてきたが、他のケースでは細胞死や病状悪化を促進するように見える。飢餓という極端な状況では、細胞成分の分解が細胞のエネルギーレベルを維持することで細胞の生存を促進する。

「オートファジー」という言葉は19世紀半ばから存在し、頻繁に使用されていました。^{[ 13 ]}現在の意味でのオートファジーという用語は、1963年にベルギーの生化学者クリスチャン・ド・デューブがリソソームの機能を発見したことに基づいて造語したものです。^{[ 3 ]} 1990年代に酵母でオートファジー関連遺伝子が同定されたことで、研究者はオートファジーのメカニズムを解明することができ、^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}最終的に日本の研究者大隅良典が2016年のノーベル生理学・医学賞を受賞することになりました。^{[ 19 ]}

オートファジーは、ロックフェラー研究所のキース・R・ポーターと彼の学生トーマス・アシュフォードによって初めて観察されました。1962年1月、彼らはグルカゴン添加後のラット肝細胞におけるリソソーム数の増加と、細胞中心に向かって移動したリソソームの一部にミトコンドリアなどの他の細胞小器官が含まれていることを報告しました。彼らはこれをクリスチャン・ド・デューブとアレックス・B・ノビコフにちなんでオートリシスと名付けました。しかし、ポーターとアシュフォードは、既存の細胞小器官を無視して、データをリソソーム形成と誤って解釈しました。リソソームは細胞小器官ではなく、ミトコンドリアなどの細胞質の一部であり、加水分解酵素はミクロボディによって産生されるのです。^{[ 20 ]}

1963年、Hruban、Spargoらは、「局所的な細胞質分解」の詳細な超微細構造記述を発表し、これは1955年のドイツの研究による損傷誘発性隔離を参照した。Hruban、Spargoらは、隔離された細胞質がリソソームへと成熟する3つの連続した段階を認識し、このプロセスは「細胞物質の再利用」や分化中の「細胞小器官の処分」のために生理的条件下で機能する損傷状態に限定されないことを明らかにした。^{[ 21 ]}この発見に触発され、de Duveはこの現象を「オートファジー」と名付けた。PorterやAshfordとは異なり、de Duveは、肝臓における細胞分解の主要な誘導因子としてのグルカゴンの役割を説明する際に、この用語をリソソーム機能の一部として捉えた。彼は学生のRussell Deterとともに、リソソームがグルカゴン誘発性オートファジーの原因であることを確立した。^{[ 22 ] [ 23 ]}リソソームが細胞内オートファジーの場であるという事実が初めて確立された。^{[ 3 ] [ 24 ] [ 25 ]}

1990年代には、複数の科学者グループが独立して出芽酵母を用いてオートファジー関連遺伝子を発見した。特に、大隅良典とマイケル・サムは飢餓誘導非選択的オートファジーを研究した^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]。}一方、ダニエル・J・クリオンスキーは選択的オートファジーの一形態である細胞質から液胞への標的化（CVT）経路を発見した^{[ 14 ] [ 18 ]} 。彼らはすぐに、実際には本質的に同じ経路を異なる角度から見ているだけであることに気づいた^{[ 26 ] [ 27 ]。}当初、これらのグループや他の酵母グループによって発見された遺伝子には、異なる名前（APG、AUT、CVT、GSA、PAG、PAZ、PDD）が付けられていた。2003年に酵母研究者によって、オートファジー遺伝子を示すためにATGを使用する統一命名法が提唱された。^{[ 28 ]} 2016年のノーベル生理学・医学賞は大隅良典氏に授与されたが、^{[ 19 ]}受賞者が1人しかいないのであれば大隅氏でなければならないが、もっと多くの人に授与できたはずだと指摘する声もある。^{[ 29 ]}

21 世紀の変わり目には、オートファジー研究の分野が急速な成長を遂げました。ATG 遺伝子の知識により、科学者は人間の健康と病気におけるオートファジーの機能を解析するためのより便利なツールを手に入れました。1999 年に、オートファジーと癌を結びつける画期的な発見が Beth Levine の研究グループによって発表されました。^{[ 30 ]}現在に至るまで、癌とオートファジーの関係はオートファジー研究の主要なテーマであり続けています。神経変性や免疫防御におけるオートファジーの役割もかなりの注目を集めています。2003 年に、オートファジーに関する最初の Gordon Research Conference が Waterville で開催されました。^{[ 31 ]} 2005 年に、Daniel J Klionsky がこの分野に特化した科学誌Autophagy を創刊しました。オートファジーに関する最初のKeystone Symposia が2007 年にモントレーで開催されました。^{[ 32 ]} 2008年、キャロル・A・マーサーは、細胞株で飢餓誘導部位特異的断片化を示すBHMT融合タンパク質（GST-BHMT）を作成した。代謝酵素であるベタインホモシステインメチルトランスフェラーゼ（BHMT）の分解は、哺乳類細胞におけるオートファジーフラックスの評価に使用できる。マクロオートファジー、ミクロオートファジー、およびシャペロン介在オートファジーは、オートファジー関連遺伝子とその関連酵素によって媒介される。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]マクロオートファジーは、バルクオートファジーと選択的オートファジー}に分けられる。選択的オートファジーには、オルガネラのオートファジー、ミトファジー^{[ 36 ]} 、リポファジー^{[ 37 ] 、ペルオキシファジー[ 38 ]}、クロロファジー^{[ 39 ]}、リボファジー^{[ 40 ]}などがある。

マクロオートファジーは、主に損傷した細胞小器官や未使用のタンパク質を除去するために使用される主要な経路です。^{[ 41 ]}まず、ファゴフォアが分解する必要のある物質を包み込み、破壊対象としてマークされた細胞小器官の周囲にオートファゴソームと呼ばれる二重膜を形成します。 ^{[ 34 ] [ 42 ]}次に、オートファゴソームは細胞の細胞質を通って、哺乳類ではリソソーム、酵母や植物では液胞に移動し、^{[ 43 ]} 2つの細胞小器官が融合します。^{[ 34 ]}リソソーム/液胞内では、オートファゴソームの内容物は酸性リソソーム加水分解酵素によって分解されます。^{[ 44 ]}

一方、ミクロオートファジーは、細胞質物質をリソソームに直接取り込むことを伴う。 ^{[ 45 ]}これは、リソソーム膜の内側への折り込み、または細胞の突出を意味する陥入によって起こる。 ^{[ 42 ]}

シャペロン介在オートファジー（CMA）は、hsc70を含む複合体による認識を伴う非常に複雑で特異的な経路です。 ^{[ 42 ] [ 46 ]}これは、タンパク質がこのhsc70複合体の認識部位を含まなければならず、それによってこのシャペロンに結合してCMA基質/シャペロン複合体を形成することを意味します。 ^{[ 44 ]}この複合体は、CMA受容体を認識して結合するリソソーム膜結合タンパク質に移動します。認識されると、基質タンパク質はほどけ、リソソームhsc70シャペロンの助けを借りてリソソーム膜を横切って輸送されます。 ^{[ 33 ] [ 34 ]} CMAは、タンパク質物質を1つずつ輸送し、リソソーム障壁を通過する物質について非常に選択的であるため、他のタイプのオートファジーとは大きく異なります。 ^{[ 41 ]}

ミトファジーは、オートファジーによるミトコンドリアの選択的分解です酵母ではAtg32 、哺乳類ではNIXとその調節因子BNIP3によって媒介されます。ミトファジーはPINK1とパーキンタンパク質によって調節されます。ミトファジーの発生は、損傷したミトコンドリアに限らず、損傷していないミトコンドリアにも起こります。 ^{[ 35 ]}

リポファジーはオートファジーによる脂質の分解であり、^{[ 37 ]}動物細胞と真菌細胞の両方に存在することが示されている機能である。^{[ 47 ]}しかし、植物細胞におけるリポファジーの役割は依然として不明である。^{[ 48 ]}リポファジーの標的は、脂質滴（LD）と呼ばれる脂質構造であり、主にトリアシルグリセロール（TAG）のコアとリン脂質と膜タンパク質の単層を持つ球状の「オルガネラ」である。動物細胞では、主なリポファジー経路は、ファゴフォアによるLDの貪食、マクロオートファジーである。一方、真菌細胞では、ミクロリポファジーが主な経路であり、出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeで特に詳しく研究されている。^{[ 49 ]}リポファジーはマウスで最初に発見され、2009年に発表された。^{[ 50 ]}

オートファジーは属特異的なタンパク質を標的とするため、配列相同性を共有するオルソロガスなタンパク質は、特定のオートファジー標的タンパク質によって基質として認識されます。オートファジー標的タンパク質には相補性があり、変異によって感染リスクが増加する可能性があります。3つのオートファジータンパク質の標的に重複がなく、属の点で大きな重複があることから、オートファジーは同じ病原体から異なる細菌タンパク質群を標的にできることがわかります。一方では、同じ属を標的とする冗長性は、病原体の認識を強固にする上で有益です。しかし他方では、特定の細菌タンパク質の相補性により、オートファジー標的タンパク質の1つをコードする遺伝子が変異し、オートファジーシステムが過負荷になったり、その他の機能不全に陥ったりした場合、宿主は慢性疾患や感染症にかかりやすくなる可能性があります。さらに、オートファジーは病原性因子を標的としており、栄養獲得や運動性などのより一般的な機能に関与する病原性因子は、複数のオートファジー標的タンパク質によって認識されます。また、オートリシンや鉄隔離タンパク質などの特殊な病原性因子は、単一のオートファジー標的タンパク質によって特異的に認識される可能性がある。オートファジータンパク質であるCALCOCO2/NDP52とMAP1LC3/LC3は、病原体または病原性タンパク質をオートファジー分解の標的とするように特異的に進化してきた可能性がある。一方、SQSTM1/p62は、標的モチーフを含むが病原性とは関係のない、より一般的な細菌タンパク質を標的とする。^{[ 51 ]}

一方、様々な病原性属の細菌タンパク質もオートファジーを調節することができる。オートファジーの各段階には属特異的なパターンがあり、特定の病原体グループによって調節される可能性がある。オートファジーの段階の中には特定の病原体によってのみ調節されるものもあれば、複数の病原体属によって調節されるものもある。相互作用に関連する細菌タンパク質の中には、リン酸化やユビキチン化などのタンパク質分解活性や翻訳後修飾活性を持ち、オートファジータンパク質の活性を阻害するものもある。^{[ 51 ]}

ATGは「オートファジー関連」の略で、オートファジーの生物学的プロセスに関連する遺伝子とタンパク質の両方に適用されます。 ^{[ 52 ]}酵母からヒトまで保存されている多くのコアATGタンパク質をコードする、約16～20個の保存されたATG遺伝子があります。 ^{[ 52 ]} ATGはタンパク質名の一部（ ATG7など）または遺伝子名の一部（ ATG7など）である可能性がありますが、^{[ 53 ]}すべてのATGタンパク質と遺伝子がこのパターンに従うわけではありません（ ULK1など）。^{[ 52 ]}

具体的な例を挙げると、UKL1酵素（キナーゼ複合体）はオートファゴソームの生合成を誘導し、ATG13（オートファジー関連タンパク質13 ）はファゴソーム形成に必要である。^{[ 54 ]}

オートファジーはATG遺伝子によって実行されます。2003年以前は10以上の名前が使用されていましたが、この時点以降、真菌オートファジー研究者によって統一された命名法が考案されました。^{[ 55 ]}最初のオートファジー遺伝子は、Saccharomyces cerevisiaeで行われた遺伝子スクリーニングによって同定されました。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}これらの遺伝子の同定後、機能的に特徴付けられ、さまざまな異なる生物におけるそれらのオルソログが同定され、研究されました。 ^{[ 11 ] [ 56 ]}現在、36のAtgタンパク質がオートファジーにとって特に重要であると分類されており、そのうち18はコア機構に属しています。^{[ 57 ]}

哺乳類では、アミノ酸感知と成長因子や活性酸素種などの追加シグナルが、タンパク質キナーゼmTORとAMPKの活性を調節する。^{[ 56 ] [ 58 ]}これらの2つのキナーゼは、Unc-51様キナーゼULK1とULK2（Atg1の哺乳類ホモログ）の阻害的リン酸化を介してオートファジーを調節する。^{[ 59 ]}オートファジーの誘導は、ULKキナーゼの脱リン酸化と活性化をもたらす。ULKは、 Atg13、Atg101、FIP200を含むタンパク質複合体の一部である。ULKは、タンパク質複合体の一部でもあるBeclin-1 （ Atg6の哺乳類ホモログ）をリン酸化して活性化する。^{[ 60 ]}オートファジー誘導性ベクリン-1複合体^{[ 61 ]}は、 PIK3R4（p150）、Atg14L、およびクラスIIIホスファチジルイノシトール3-リン酸キナーゼ（PI(3)K）Vps34タンパク質を含む。^{[ 62 ]}活性型ULKおよびベクリン-1複合体は、オートファゴソーム開始部位であるファゴフォアに再局在し、そこで両方とも下流のオートファジー構成要素の活性化に寄与する。^{[ 63 ] [ 64 ]}

活性化すると、VPS34は脂質ホスファチジルイノシトールをリン酸化して、ファゴフォアの表面にホスファチジルイノシトール3-リン酸（PtdIns(3)P）を生成する。生成されたPtdIns(3)Pは、PtdIns(3)P結合モチーフを持つタンパク質のドッキングポイントとして使用される。WIPI（WDリピートタンパク質とホスホイノシチドが相互作用する）タンパク質ファミリーのPtdIns(3)P結合タンパク質であるWIPI2は、最近、 ATG16L1と物理的に結合することが示された。^{[ 65 ]} Atg16L1は、オートファゴソーム形成に不可欠な2つのユビキチン様結合システムの1つに関与するE3様タンパク質複合体のメンバーである。 FIP200シスゴルジ由来膜はATG16L1陽性エンドソーム膜と融合してHyPAS（ハイブリッド前オートファゴソーム構造）と呼ばれるプロファゴフォアを形成する。^{[ 66 ]} ATG16L1がWIPI2に結合することで^{[ 67 ]} ATG16L1の活性が媒介される。これにより、ユビキチン様結合システムを介してプロファゴフォアがATG8陽性ファゴフォアへと下流で変換される^{[ 66 ]} 。

オートファジーに関与する2 つのユビキチン様結合システムのうち最初のものは、ユビキチン様タンパク質Atg12をAtg5に共有結合させる。結果として生じる結合タンパク質は、次にATG16L1に結合して、2 番目のユビキチン様結合システムの一部として機能し、E3 様複合体を形成する。^{[ 68 ]}この複合体はAtg3 に結合して活性化し、Atg3は、最も研究されている LC3 タンパク質であるユビキチン様酵母タンパク質ATG8の哺乳類ホモログ( LC3A-C 、GATE16、および GABARAPL1-3) を、オートファゴソーム表面の脂質ホスファチジルエタノールアミン(PE) に共有結合させる。 ^{[ 69 ]}脂質化された LC3 はオートファゴソームの閉鎖に寄与し、^{[ 70 ]} Sequestosome-1/ p62などの特定のカーゴやアダプタータンパク質のドッキングを可能にする。^{[ 71 ]}完成したオートファゴソームは、 SNARE ^{[ 72 ] [ 73 ]}やUVRAG ^{[ 74 ]}を含む複数のタンパク質の作用によりリソソームと融合する。融合後、LC3 は小胞の内側に保持され、カーゴとともに分解される一方、外側に付着した LC3 分子はAtg4によって切断され、リサイクルされる。^{[ 75 ]}その後、オートリソソームの内容物は分解され、その構成要素は透過酵素の作用により小胞から放出される。^{[ 76 ]}

サーチュイン1（SIRT1）は、培養細胞や胚組織、新生児組織で実証されているように、オートファジーに必要なタンパク質のアセチル化（脱アセチル化による）を阻害することでオートファジーを刺激します。 ^{[ 77 ]}この機能は、サーチュインの発現とカロリー制限による栄養素不足に対する細胞応答との間のつながりを提供します。^{[ 78 ]}

オートファジーは基礎的な恒常性維持に不可欠であり、運動中の筋肉の恒常性維持にも極めて重要である。 ^{[ 95 ] [ 96 ]}分子レベルでのオートファジーは部分的にしか理解されていない。マウスの研究では、オートファジーは、特にタンパク質異化の代謝経路を通じて、栄養とエネルギーの要求の絶え間ない変化に重要であることが示されている。2012年にテキサス大学サウスウェスタン医療センター（ダラス）が行った研究では、この理論に異議を唱えるために、変異マウス（ BCL2リン酸化部位のノックイン変異により、基礎オートファジーのレベルは正常だがストレス誘導オートファジーが欠損した子孫を生成）がテストされた。結果は、対照群と比較すると、これらのマウスは急性運動中に持久力の低下とグルコース代謝の変化を示したことを示した。^{[ 97 ]}

別の研究では、ノックアウトマウスのコラーゲンVIの骨格筋線維は、オートファジーの不十分さにより変性の兆候を示し、その結果、損傷したミトコンドリアが蓄積し、細胞死が過剰になったことが示されました。^{[ 98 ]}しかし、運動誘発性オートファジーは成功しませんでしたが、運動後に人工的にオートファジーを誘導すると、コラーゲンVI欠損筋線維における損傷したオルガネラの蓄積が防止され、細胞の恒常性が維持されました。両方の研究は、オートファジー誘導が運動の有益な代謝効果に寄与する可能性があり、特にコラーゲンVI線維において、運動中の筋肉の恒常性を維持するのに不可欠であることを示しています。^{[ 97 ] [ 96 ] [ 98 ]}

ボン大学細胞生物学研究所の研究により、収縮中の筋肉で特定のタイプのオートファジー、すなわちシャペロン補助選択的オートファジー（CASA）が誘導され、機械的張力下で筋サルコメアを維持するために必要であることが示されました。 ^{[ 99 ]} CASAシャペロン複合体は機械的に損傷した細胞骨格成分を認識し、これらの成分をユビキチン依存性オートファジー選別経路を通してリソソームに送り、分解します。これは筋肉活動を維持するために必要です。^{[ 99 ] [ 100 ]}

オートファジーは加齢とともに減少し、加齢は変形性関節症の主要な危険因子であるため、この疾患の発症におけるオートファジーの役割が示唆されている。オートファジーに関与するタンパク質は、ヒトとマウスの関節軟骨の両方で加齢とともに減少する。^{[ 101 ]}培養軟骨外植片への機械的損傷もオートファジータンパク質を減少させた。^{[ 102 ]}オートファジーは正常な軟骨では常に活性化されているが、加齢とともに損なわれ、軟骨細胞死と構造的損傷に先行する。^{[ 103 ]}したがって、オートファジーは関節における正常な保護プロセス（軟骨保護）に関与している。

がんは、細胞分化を制御する複数の異なる経路が阻害されたときに発生することが多い。オートファジーは、がんから身を守るだけでなく、がんの増殖に寄与する可能性もあるため、がんにおいて重要な役割を果たしている。^{[ 90 ] [ 104 ]}オートファジーは、飢餓状態にある腫瘍細胞の生存を促進したり、オートファジーによってアポトーシス媒介物質を分解したりすることで、がんに寄与する可能性がある。このような場合、オートファジーを利用して生存する細胞に対して、オートファジーの後期段階の阻害剤（クロロキンなど）を使用すると、抗腫瘍薬によって殺されるがん細胞の数が増える。^{[ 105 ]}

がんにおけるオートファジーの役割は、これまで多くの研究とレビューが行われてきた。オートファジーが腫瘍抑制因子および腫瘍細胞の生存因子としての役割を担っていることを示す証拠がある。しかし、最近の研究では、いくつかのモデルによれば、オートファジーは腫瘍抑制因子として利用される可能性が高いことが示されている。^{[ 104 ]}

オートファジーの調節因子は炎症の調節因子を制御し、その逆もまた然りである。^{[ 116 ]} 脊椎動物の細胞は通常、炎症を活性化して、感染症を排除する免疫系の能力を高め、組織の構造と機能を回復させるプロセスを開始させる。^{[ 117 ]}したがって、細胞や細菌の残骸を除去するメカニズムの調節を、炎症を調節する主要な因子と結びつけることが重要である。オートファジー中のリソソームによる細胞成分の分解は、重要な分子をリサイクルし、細胞が変化する微小環境に対応するのに役立つ構成要素のプールを生成する。^{[ 118 ]}炎症とオートファジーを制御するタンパク質は、組織機能に不可欠なネットワークを形成し、癌ではこのネットワークが調節不全になっている。癌細胞では、異常に発現した変異タンパク質によって、悪性細胞をアポトーシスタンパク質や免疫系による認識から保護する「再配線された」タンパク質分解システムのネットワークへの細胞生存の依存度が高まる。^{[ 119 ]}これにより、がん細胞はオートファジーの調節因子への介入に対して脆弱になる。

膵臓のインスリン産生β細胞におけるオートファジーのクリノファジー型の過剰な活動は、分泌可能なインスリンの量を減少させ、 2型糖尿病につながる可能性がある。^{[ 8 ]}