細胞間相互作用

細胞間相互作用とは、多細胞生物の発達と機能に重要な役割を果たす細胞表面間の直接的な相互作用を指します。これらの相互作用により、細胞は微小環境の変化に応じて互いに通信することができます。このシグナルの送受信能力は、細胞の生存に不可欠です。細胞間の相互作用は、細胞接合を介して行われるもののように安定している場合があります。これらの接合は、特定の組織内の細胞の通信と組織化に関与しています。その他の相互作用は、免疫系の細胞間の相互作用や組織の炎症に関与する相互作用のように一時的または一時的なものです。これらのタイプの細胞間相互作用は、細胞と細胞外マトリックス間の相互作用などの他のタイプとは区別されます。細胞間のコミュニケーションが失われると、制御不能な細胞増殖やがんが発生する可能性があります。

組織内の細胞接着や細胞の形状と機能の制御には、安定した細胞間相互作用が必要です。 ^[1]これらの安定した相互作用には、隣接する細胞間の接触を提供する多タンパク質複合体である細胞接合が関与しています。細胞接合により、上皮細胞シートの保存と適切な機能が可能になります。これらの接合は、ある種類の細胞が異なる組織ではなく同じ組織の細胞にのみ接着できる組織の構成にも重要です。^[2]

タイトジャンクションは、同じ組織の細胞をまとめ、細胞間の水や水溶性分子の移動を防ぐ多タンパク質複合体です。上皮細胞では、タイトジャンクションは頂端膜と基底膜を囲む細胞外液を分離する役割も果たします。^{[1]これらのジャンクションは、隣接する上皮細胞の膜間の}頂端面 のすぐ下に位置する連続した帯として存在します 。隣接する細胞のタイトジャンクションは、異なる組織や体腔の間にシールを形成するように並んでいます。たとえば、胃腸管上皮細胞の頂端面は、外部環境と体を隔てる選択的透過性バリアとして機能します。^[3]これらのジャンクションの透過性は、そのジャンクションのタンパク質構成、組織の種類、細胞からのシグナル伝達 など、さまざまな要因に依存します。 ^[1]

タイトジャンクションは多くの異なるタンパク質で構成されています。4つの主要な膜貫通タンパク質は、オクルディン、クローディン、ジャンクション接着分子（JAM）、トリセルリンです。これらのタンパク質の細胞外ドメインは、隣接する細胞のタンパク質ドメインと同種親和性（同じ種類のタンパク質間）および異種親和性（異なる種類のタンパク質間）相互作用することでタイトジャンクションバリアを形成します。それらの細胞質ドメインは細胞の細胞骨格と相互作用してそれらを固定します。^[3]

3 種類のアンカー結合のうち、細胞間相互作用に関与するのは接着結合とデスモソームの 2 つだけです。どちらも多くの種類の細胞に見られます。隣接する上皮細胞は、側方膜上の接着結合によって接続されています。接着結合はタイト結合のすぐ下にあります。接着結合の機能は、細胞や組織に形状と張力を与えることであり、細胞間シグナル伝達の場でもあります。接着結合は、カドヘリンファミリーの細胞接着分子でできています。100 種類を超えるカドヘリンがあり、さまざまなアンカーのニーズを持つ多くの異なる種類の細胞や組織に対応しています。最も一般的なのは、E カドヘリン、N カドヘリン、P カドヘリンです。上皮細胞の接着結合では、E カドヘリンが最も豊富です。^[1]

デスモソームは細胞や組織に強度と耐久性も与え、接着結合のすぐ下に位置している。デスモソームは接着部位であり、細胞を取り囲んではいない。デスモソームは、デスモグレインとデスモコリンという2つの特殊なカドヘリンでできている。これらのタンパク質は、隣接する細胞で相互作用する細胞外ドメインを持っている。細胞質側では、プラキンがプラークを形成し、デスモソームをケラチンタンパク質からなる中間径フィラメントに固定する。デスモソームは細胞間シグナル伝達にも関与している。^[4]

ギャップ結合は、隣接する細胞間で小分子を拡散させる細胞間シグナル伝達またはコミュニケーションの主要部位です。脊椎動物では、ギャップ結合は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。これらは、イオン、糖、その他の小分子が通過できる六角形の孔またはチャネルを形成します。各孔は12個のコネキシン分子で構成されており、6個が1つの細胞膜上に半チャネルを形成し、隣接する細胞膜上の半チャネルと相互作用します。これらの結合の透過性は、pHやCa ²⁺濃度など、多くの要因によって制御されます。^[1]

細胞表面の 受容体タンパク質は、他の細胞から分泌される特定のシグナル伝達分子に結合する能力を持っています。細胞シグナル伝達により、細胞は隣接細胞、近くの細胞（傍分泌）、さらには遠くの細胞（内分泌）と通信することができます。この結合により受容体の構造変化が誘発され、対応する細胞で応答が引き起こされます。これらの応答には、遺伝子発現の変化や細胞骨格構造の変化が含まれます。細胞膜の細胞外面には、外側に突出してシグナルとして機能するさまざまなタンパク質、炭水化物、脂質があります。細胞間の直接接触により、1 つの細胞上の受容体が別の細胞の細胞膜に付着した小分子に結合することができます。真核生物では、初期発達中の多くの細胞が直接接触を通じて通信します。^[5]

シナプスシグナル伝達は神経系活動の不可欠な部分であり、ニューロンと標的細胞の間で発生します。これらの標的細胞は、ニューロンまたはその他の細胞タイプ（筋肉細胞または腺細胞）である場合もあります。 カドヘリンファミリーのメンバーであるプロトカドヘリンは、シナプス接合部としても知られるシナプスでのニューロンとその標的細胞の接着を仲介します。ニューロンとその標的細胞の間で通信が発生するために、脱分極の波がニューロンの長さに沿って移動し、神経伝達物質がシナプス接合部に放出されます。これらの神経伝達物質はシナプス後ニューロン上の受容体に結合して活性化し、それによって信号を標的細胞に伝達します。したがって、シナプス後膜は信号を受信する膜に属し、シナプス前膜は神経伝達物質の供給源です。神経筋接合部では、シナプスは運動ニューロンと筋線維の間に形成されます。脊椎動物では、運動ニューロンから放出されるアセチルコリンが神経伝達物質として働き、筋線維を脱分極させて筋収縮を引き起こします。ニューロンが環境や他のニューロンからの同時信号を受信して​​統合する能力により、複雑な動物の行動が可能になります。^[6]

植物細胞は細胞壁に囲まれており、細胞間のコミュニケーションの障壁となっている。この障壁は、プラズモデスマと呼ばれる特殊な接合部によって克服される。これらはギャップ結合に似ており、隣接する細胞の細胞質を接続する。イオン、アミノ酸、糖などの小分子 (<1000 Da) は、プラズモデスマを介して自由に拡散することができる。これらの小分子には、シグナル伝達分子や転写因子が含まれる。チャネルのサイズも、最大 10,000 Da の分子が通過できるように調節されている。これらのチャネルの透過性は、Ca2+ 濃度など、多くの要因に依存する。細胞質 Ca2+ 濃度の上昇は、プラズモデスマの通過を可逆的に制限する。ギャップ結合とは異なり、隣接する細胞の細胞膜は融合して、環状部と呼ばれる連続したチャネルを形成する。さらに、チャネル内には、細胞間にわたるデスモ小胞体と呼ばれる延長部がある。原形質連絡によって促進される細胞間相互作用は、植物細胞や組織の発達、ウイルス感染に対する防御に重要な役割を果たします。^[1]

白血球は異常な細胞を破壊し、細菌やその他の異物から保護します。これらの相互作用は本質的に一時的なものですが、即時の免疫応答として重要です。感染と戦うには、白血球が血液から感染組織に移動する必要があります。この組織への移動は血管外漏出と呼ばれます。血管内皮細胞と白血球の間の細胞間相互作用の形成と破壊が連続的に必要になります。これらの細胞間相互作用は、主にセレクチンと呼ばれる細胞接着分子(CAM) のグループによって媒介されます。^[1]

免疫システムの中心であるヘルパーT細胞は、サイトカインと呼ばれるシグナルを放出することで他の白血球と相互作用し、 B細胞とキラーT細胞の増殖を活性化および刺激します。また、ヘルパーT細胞は、異物を取り込み、その表面に抗原を表示する細胞であるマクロファージとも直接相互作用します。適切な受容体を持つヘルパーT細胞はこれらの抗原に結合して増殖し、同じ抗原を識別する能力を持つヘルパーT細胞になります。^[7]

血液凝固は、フィブリンの生成に加えて、血小板間の相互作用に依存しています。血管の内皮または内層が損傷すると、コラーゲン繊維を含む結合組織が局所的に露出します。最初に、血小板は特定の細胞表面受容体を介して露出した結合組織に付着します。その後、血小板が活性化して凝集し、血小板がしっかりと付着して化学物質を放出し、血管損傷部位に隣接する血小板をリクルートします。次に、この血小板凝集の周囲にフィブリンの網目構造が形成され、血栓の強度が増します。^[8]

細菌集団は組織内の細胞と同様の方法で相互作用します。細菌集団は、代謝を制御し成長を調節する手段として、物理的相互作用やホモセリンラクトンやペプチドなどのシグナル伝達分子を介して通信します。細菌細胞相互作用の一般的な例であり、最も研究されている形態の 1 つはバイオフィルムです。バイオフィルムは、生物または非生物の表面に付着できる細胞集合体です。細菌は、基質の利用可能性の変化など、さまざまな環境に適応するためにバイオフィルムを形成します。たとえば、バイオフィルムの形成により、集合体の一部ではない細胞と比較して、細菌細胞の抗生物質に対する耐性が高まります。^[9]

がんは細胞間相互作用の喪失によって発生することがあります。正常な細胞では、成長は接触阻害によって制御されており、隣接する細胞との接触により細胞の成長が阻害されます。接触阻害は、細胞接着に重要な役割を果たすタンパク質であるカドヘリンによって媒介されると考えられています。この阻害により、細胞が互いに積み重なって丘を形成するのを防ぎます。しかし、E-カドヘリンの発現が失われたがん細胞では、接触阻害が失われ、制御不能な成長や増殖、腫瘍形成、転移を引き起こします。^[10]

病原菌が細胞に侵入するには、宿主細胞とのコミュニケーションが必要です。細菌が侵入するための最初のステップは通常、宿主細胞への接着です。毒性を決定する特性である強力なアンカーリングは、感染が発生する前に細菌が洗い流されるのを防ぎます。細菌細胞は、付着受容体として機能する糖脂質や糖タンパク質などの多くの宿主細胞表面構造に結合することができます。付着すると、細菌は宿主と相互作用し始め、宿主の正常な機能を破壊し、細胞骨格を破壊または再配置します。細菌表面のタンパク質は、宿主のタンパク質受容体と相互作用し、細胞内のシグナル伝達に影響を与えます。シグナル伝達の変化は、病原体が侵入できる条件を提供するため、細菌にとって有利です。多くの病原体は、宿主細胞にタンパク質毒素を直接注入できるタイプIII分泌システムを持っています。これらの毒素は、最終的に細胞骨格の再配置と細菌の侵入につながります。^[11]

細胞間相互作用は非常に特異的であり、厳密に制御されています。これらの相互作用の遺伝子欠陥と調節不全は、さまざまな病気を引き起こす可能性があります。白血球の健康な組織への遊走につながる調節不全は、急性呼吸窮迫症候群やいくつかのタイプの関節炎などの症状を引き起こす可能性があります。^[12]自己免疫疾患である尋常性天疱瘡は、デスモグレインやその他の正常な体タンパク質に対する自己抗体によって発生します。自己抗体は上皮細胞間の接着を破壊します。これにより、皮膚と粘膜に水疱が発生します。コネキシン遺伝子の変異は、心臓奇形や神経感覚性難聴を含む8つのヒト疾患を引き起こします。^[1]