細胞接着

細胞接着とは、細胞が細胞表面の特殊な分子を介して相互作用し、隣接する細胞に付着するプロセスです。このプロセスは、細胞接合部などの細胞表面間の直接接触、または細胞が周囲の細胞外マトリックスに付着する間接的な相互作用によって発生します。細胞外マトリックスは、細胞から細胞間の空間に放出された分子を含むゲル状の構造です。 ^{[1]細胞接着は}、細胞接着分子(CAM) ^[2]間の相互作用によって発生します。細胞接着はさまざまな方法で細胞を結び付け、細胞が周囲の変化を検知して反応するためのシグナル伝達に関与することがあります。 ^{[1] [3]}細胞接着によって制御されるその他の細胞プロセスには、多細胞生物における細胞移動と組織発達があります。^{[4]細胞接着の変化は重要な細胞プロセスを妨害し、がん[5] [6]}や関節炎^[7]などのさまざまな疾患を引き起こす可能性があります。細胞接着は、細菌やウイルスなどの感染性生物が疾患を引き起こすためにも不可欠です。^{[8] [9]}

CAMは、インテグリン、免疫グロブリン（Ig）スーパーファミリー、カドヘリン、セレクチンの4つの主要なファミリーに分類されます。^[2] カドヘリンとIgSFは、別の細胞上の同じタイプのCAMに直接結合するため同種親和性CAMであり、インテグリンとセレクチンは異なるタイプのCAMに結合する異種親和性CAMです。^{[2] [要出典]}これらの接着分子はそれぞれ異なる機能を持ち、異なるリガンドを認識します。細胞接着の欠陥は通常、CAMの発現の欠陥に起因します。

多細胞生物では、CAM間の結合により細胞が互いに接着し、細胞接合部と呼ばれる構造が形成される。細胞接合部は機能に応じて次のように分類できる。^[1]

• 細胞同士を維持し、細胞間の接触を強化するアンカー結合（接着結合、デスモソーム、ヘミデスモソーム）。
• 細胞間の接触によって細胞間の隙間を密閉し、拡散に対する不浸透性の障壁を形成する閉塞結合（タイトジャンクション）
• チャネル形成接合部（ギャップ接合部）は、隣接する細胞の細胞質を結び付け、細胞間で分子の輸送を可能にします。
• 神経系のシナプスとなる信号中継接合部

あるいは、細胞接合は、細胞と相互作用するものに応じて、主にカドヘリンによって媒介される細胞間接合と、主にインテグリンによって媒介される細胞-マトリックス接合の 2 つの主なタイプに分類できます。

細胞間接合はさまざまな形で発生します。接着結合やデスモソームなどの細胞間の固定接合部に存在する主な CAM はカドヘリンです。この CAM ファミリーは、細胞外ドメインを介して細胞間接着を媒介する膜タンパク質であり、正常に機能するためには細胞外 Ca ²⁺イオンが必要です。^[2]カドヘリンは、互いに同種親和性接着を形成します。その結果、類似したタイプの細胞が互いに接着し、選択的な細胞接着につながる可能性があり、脊椎動物の細胞が組織化された組織に組み立てられるようになります。^[1]カドヘリンは、多細胞動物の細胞間接着と細胞シグナル伝達に不可欠であり、古典的なカドヘリンと非古典的なカドヘリンの 2 種類に分けられます。^[2]

接着結合は主に、組織の形状を維持し、細胞をつなぎとめる働きをする。接着結合では、隣接する細胞間のカドヘリンは細胞外ドメインを介して相互作用し、細胞外ドメイン内の保存されたカルシウム感受性領域を共有する。この領域がCa ²⁺イオンと接触すると、カドヘリンの細胞外ドメインは、不活性な柔軟な構造からより硬い構造へと構造変化を起こし、同種親和性結合を起こす。カドヘリンの細胞内ドメインも高度に保存されており、カテニンと呼ばれるタンパク質に結合してカテニン-カドヘリン複合体を形成する。これらのタンパク質複合体は、カドヘリンをアクチンフィラメントに結び付ける。アクチンフィラメントとのこの結合は、接着結合が細胞間接着を安定させるために不可欠である。^{[10] [11] [12]}アクチンフィラメントとの相互作用は、接着結合の組み立てに関与するカドヘリンのクラスター化を促進することもできる。これは、カドヘリンクラスターがアクチンフィラメントの重合を促進し、それが次に接合部に形成されるカドヘリン-カテニン複合体に結合して接着結合の組み立てを促進するためです。^[要出典]

デスモソームは構造的に接着結合に似ていますが、異なる成分で構成されています。古典的なカドヘリンの代わりに、デスモグレインやデスモコリンなどの非古典的なカドヘリンが接着分子として機能し、アクチンフィラメントの代わりに中間径フィラメントに結合しています。 ^[13]デスモソームにはカテニンが存在しません。デスモソームカドヘリンの細胞内ドメインがデスモソームプラークタンパク質と相互作用し、デスモソーム内の厚い細胞質プラークを形成し、カドヘリンを中間径フィラメントに結合させるためです。[ ^{14]デスモソームは、柔軟でありながら弾力性のある中間径フィラメントに力を加えることで強度と機械的ストレスに対する抵抗力を提供します。これは、硬いアクチンフィラメントでは起こり得ないことです。 [13]}このため、デスモソームは心筋や上皮などの高レベルの機械的ストレスを受ける組織で重要であり、これらの種類の組織にデスモソームが頻繁に現れる理由を説明しています。

タイトジャンクションは通常、上皮組織と内皮組織に存在し、これらの組織でバリアとして機能する溶質と細胞外液の細胞間輸送を調節して隙間を塞ぐ。 ^[15]タイトジャンクションは、隣接する膜上で互いに密接に同種親和的に結合したクローディン、オクルディン、トリセルリンなどの膜貫通タンパク質によって形成される。 ^[1]アンカージャンクションと同様に、これらのタイトジャンクションタンパク質の細胞内ドメインは、これらのタンパク質をクラスター状に保ち、タイトジャンクションの構造を維持するためにアクチンフィラメントにリンクする足場タンパク質と結合している。^[16]タイトジャンクションの形成に不可欠なクローディンは、特定のイオンがタイトジャンクションを通過できるように細胞間孔を形成し、バリアを選択的に透過可能にする。^[15]

ギャップ結合は、コネクソンと呼ばれるチャネルで構成されており、コネクソンは、 6つのグループに集まったコネキシンと呼ばれる膜貫通タンパク質で構成されています。 ^[17]隣接する細胞のコネクソンは、接触して互いに整列すると連続したチャネルを形成します。これらのチャネルは、細胞を一緒に保持し、アンカー結合やタイト結合のような構造的安定性を提供する以外に、2つの隣接する細胞の細胞質間でのイオンと小分子の輸送を可能にします。^{[1]ギャップ結合チャネルは、コネクソンを形成するコネキシンに応じて特定のイオンに対して選択的に透過性があり、これにより、}シグナル伝達カスケードに関与する分子の移動を制御することで、ギャップ結合が細胞シグナル伝達に関与することができます。 ^{[18]チャネルは多くの異なる刺激に反応することができ、}電圧ゲーティングなどの迅速なメカニズム、またはギャップ結合に存在するチャネルの数を変更するなどの遅いメカニズムによって動的に制御されます。^[17]

セレクチンは、循環系で起こる一時的な細胞間接着に関与する特殊な CAM ファミリーです。これらは主に、選択の可逆的な結合を通じて白血球が内皮細胞上で「転がる」ことを可能にすることで、血流中の白血球の動きを媒介します。 ^[19]セレクチンは、その細胞外ドメインが他のセレクチンではなく隣接細胞の炭水化物に結合するため異好性結合を起こしますが、カドヘリンと同様に、機能するためにはCa ^{2+イオンも必要です。 [1]}白血球の内皮細胞への細胞間接着は、白血球がこのメカニズムを通じて感染部位や損傷部位に移動できるため、免疫応答にとって重要です。 ^[20]これらの部位では、転がる白血球のインテグリンが活性化され、局所の内皮細胞にしっかりと結合し、白血球の移動を停止して内皮バリアを通過できるようにします。^[20]

免疫グロブリンスーパーファミリー（IgSF）は、体内で最も大きなタンパク質スーパーファミリーの1つであり、さまざまな機能に関与する多様なCAMを多数含んでいます。これらの膜貫通タンパク質は、細胞外ドメインに1つ以上の免疫グロブリン様ドメインを持ち、カルシウム非依存的に隣接細胞のリガンドと結合します。 ^[21]神経細胞接着分子（NCAM）などの一部のIgSF CAMは同種親和性結合を行うことができますが、細胞間細胞接着分子（ICAM）や血管細胞接着分子（VCAM）などの他の分子は、炭水化物やインテグリンなどの分子と異種親和性結合を行います。^[22] ICAMとVCAMはどちらも血管内皮細胞に発現しており、白血球上のインテグリンと相互作用して白血球の接着と内皮バリアを越えた移動を助けます。^[22]

細胞は周囲の細胞外空間に分子を放出することで細胞外マトリックスを作る。細胞には細胞外マトリックス内の分子に結合し、マトリックスを細胞内細胞骨格に結びつける特定のCAMがある。^[1]細胞外マトリックスは細胞を組織に組織化する際のサポートとして機能するほか、CAMに結合して細胞内経路を活性化することで細胞シグナル伝達に関与することもある。^[2] 細胞–マトリックス接合部は主にインテグリンによって媒介され、インテグリンもカドヘリンのようにクラスター化して強固な接着を形成する。インテグリンは異なるαサブユニットとβサブユニットによって形成される膜貫通ヘテロ二量体で、両サブユニットのドメイン構造は異なる。^[23]インテグリンは両方向にシグナル伝達が可能で、細胞内シグナルが細胞内ドメインを変更することでインテグリンのリガンドに対する親和性を調節できる一方、細胞外リガンドが細胞外ドメインに結合することでインテグリンの構造変化を誘導し、シグナル伝達カスケードを開始できる。^[23]インテグリンの細胞外ドメインは異親和性結合を介してさまざまなリガンドに結合することができ、一方細胞内ドメインは中間径フィラメントに結合してヘミデスモソームを形成したり、アクチンフィラメントに結合して接着斑を形成したりすることができる。^[24]

ヘミデスモソームでは、インテグリンは基底膜内のラミニンと呼ばれる細胞外マトリックスタンパク質に付​​着します。ラミニンは上皮細胞から分泌される細胞外マトリックスです。^{[1]インテグリンは細胞外マトリックスを}ケラチン中間径フィラメントに結び付け、ケラチン中間径フィラメントはプレクチンやBP230などのアダプタータンパク質を介してインテグリンの細胞内ドメインと相互作用します。 ^[25]ヘミデスモソームは、細胞外マトリックスを介して間接的に上皮細胞を固定することにより、上皮細胞の構造的安定性を維持する上で重要です。

接着斑では、インテグリンが細胞外マトリックスの成分であるフィブロネクチンを細胞内のアクチンフィラメントに付着させます。 ^[24]タリン、ビンキュリン、α-アクチニン、フィラミンなどのアダプタータンパク質は、インテグリンの細胞内ドメインで複合体を形成し、アクチンフィラメントに結合します。^[26 ]インテグリンとアクチンフィラメントを結び付けるこの多タンパク質複合体は、細胞の成長と細胞運動のシグナルとして機能するシグナル伝達複合体の組み立てに重要です。^[26]

植物細胞は互いに密着しており、植物細胞壁を横切って隣接する植物細胞の細胞質を接続するチャネルである原形質連絡を介して接続されています。 ^[27]成長に必要な栄養素またはシグナルのいずれかである分子は、受動的または選択的に、原形質連絡を介して植物細胞間で輸送されます。^[27]

原生動物は、宿主細胞の表面にある炭水化物に結合する、異なる特異性を持つ複数の接着分子を発現する。^[28]細胞間接着は、病原性原生動物が宿主細胞に付着して侵入するための鍵となる。病原性原生動物の例としては、マラリア原虫（熱帯熱マラリア原虫）が挙げられ、肝細胞に結合するためにサーカムスポロゾイトタンパク質と呼ばれる接着分子を使用し、 ^[29]赤血球に結合するためにメロゾイト表面タンパク質と呼ばれる別の接着分子を使用する。^[30]

病原性真菌は細胞壁に存在する接着分子を利用して、タンパク質-タンパク質またはタンパク質-炭水化物の相互作用を介して宿主細胞^[31]または細胞外マトリックス中のフィブロネクチン^{[32]に付着します。}

原核生物は細胞表面に細菌付着因子と呼ばれる接着分子を持ち、線毛と鞭毛を使って細胞接着を行う。[ ^{8]原核生物は1本または数本の鞭毛を持ち、細胞表面の1か所または数か所に位置する。}大腸菌やコレラ菌などの病原菌は接着を促進するために鞭毛を持っている。^[33]

接着分子は宿主細胞表面に存在する様々なリガンドや細胞外マトリックスの成分を認識することができる。これらの分子はまた、リガンドとの相互作用を通じて宿主特異性を制御し、向性（組織または細胞特異的な相互作用）を調節する。^[34]

ウイルスには、宿主細胞に結合するために必要な接着分子もあります。例えば、インフルエンザウイルスの表面にはヘマグルチニンがあり、これは宿主細胞表面分子の糖である シアリン酸を認識するのに必要です。 ^[35] HIVには、リンパ球に発現しているリガンドCD4に結合するgp120と呼ばれる接着分子があります。^[36]ウイルスは細胞接合部の成分を標的にして宿主細胞に侵入することもできます。これは、C型肝炎ウイルスがタイトジャンクションのオクルディンとクローディンを標的にして肝細胞に侵入するときに起こります。^[9]

細胞接着の機能不全は、がんの転移中に起こる。転移性腫瘍細胞における細胞間接着の喪失により、腫瘍細胞は発生部位から逃れ、循環器系を介して拡散する。^[5]がんにおいて制御不能となるCAMの一例はカドヘリンであり、これは遺伝子変異または他の発がん性シグナル伝達分子によって不活性化され、がん細胞が移動してより侵襲性になる。^[6]セレクチンやインテグリンなどの他のCAMは、循環器系を移動する転移性腫瘍細胞と他の遠隔組織の内皮細胞との間の細胞間相互作用を媒介することで、転移を促進することができる。^[37] CAMとがん転移との関連により、これらの分子はがん治療の潜在的な治療標的となる可能性がある。

特定の接着分子を発現できないことによって引き起こされる他のヒト遺伝病もあります。その一例が白血球接着不全症-I（LAD-I）で、β2インテグリンサブユニットの発現_が減少または失われます。^[38]これにより、感染症と戦うために白血球が炎症部位の内皮壁にしっかりと接着するために必要なβ2インテグリンヘテロダイマー_の発現が低下します。 ^[39] LAD-I患者の白血球は内皮細胞に接着できず、患者は生命を脅かす可能性の ある重篤な感染症を発症します。

天疱瘡と呼ばれる自己免疫疾患も細胞接着の喪失によって引き起こされ、自己抗体が自身のデスモソームカドヘリンを標的とし、表皮細胞が互いに剥離して皮膚の水疱を引き起こします。^[40]

細菌、ウイルス、原生動物などの病原性微生物は、感染して病気を引き起こすために、まず宿主細胞に付着する必要があります。抗癒着療法は、病原体または宿主細胞上の接着分子を標的とすることで感染を防ぐために使用できます。^[41]接着分子の生成を変更することとは別に、接着分子に結合して細胞間の結合を防ぐ競合阻害剤も使用でき、抗癒着剤として機能します。^[42]

• 細胞コミュニケーション（生物学）
• 上皮
• 細胞骨格
• 差別的接着仮説
• 神経発達における細胞接着の役割

ウィキメディア・コモンズには、細胞接着に関連するメディアがあります。

• G. クーパー著『The Cell』（オンライン教科書）
• Lodish 他著『分子細胞生物学』（オンライン教科書）
• Alberts 他著『細胞の分子生物学』（オンライン教科書）
• 細胞接着と細胞外マトリックス - 生化学、分子生物学、細胞生物学の仮想図書館