細胞極性

細胞極性とは、細胞内の形状、構造、機能の空間的な違いを指します。ほぼすべての細胞タイプは何らかの形の極性を示し、それによって特殊な機能を実行できます。極性細胞の典型的な例を以下に説明しますが、これには頂基底極性を持つ上皮細胞、信号が樹状突起から軸索に一方向に伝播するニューロン、移動細胞が含まれます。さらに、細胞極性は、娘細胞間の機能的非対称性を確立するために、 多くの種類の非対称細胞分裂において重要です。

細胞極性に関与する主要な分子の多くはよく保存されています。たとえば、後生動物細胞では、PAR-3/PAR-6/aPKC複合体が細胞極性において基本的な役割を果たしています。生化学的詳細は異なる場合がありますが、異なる分子間の負のフィードバックや正のフィードバックなどのコア原理のいくつかは、多くの既知の極性システムに共通しており、不可欠です。^[1]

上皮細胞は、タイトジャンクション、デスモソーム、接着結合を介して互いに接着し、動物の体の表面と内部の空洞（消化管や循環器系など）を覆う細胞シートを形成する。これらの細胞は、体の外面または内部の空洞の内腔に面した頂端膜と、内腔から離れた方向を向いた基底外側膜によって定義される頂基底極性を持つ。基底外側膜とは、細胞間接合部が隣接する細胞を接続する外側膜と、細胞が基底膜に付着する基底膜の両方を指す。基底膜は、上皮シートをその下の細胞や結合組織から分離する細胞外マトリックスタンパク質の薄いシートである。上皮細胞はまた、特殊な構造が上皮シートの平面内に配向される平面細胞極性を示す。平面細胞極性の例としては、魚の鱗が同じ方向を向いていることや、同様に鳥の羽毛、哺乳類の毛皮、ハエや他の昆虫の体や付属肢にある表皮突起（感覚毛など）などが挙げられます。^[2]上皮細胞のグループがどのようにしてさまざまな生物学的形態を形成できるかをシミュレートするための計算モデルが提案されています。^[3]

ニューロンは、樹状突起と呼ばれる分岐した細胞突起を通じて、隣接する細胞から信号を受け取ります。次に、ニューロンは基底極から特殊な軸索突起を通って電気信号を伝達し、シナプスで神経伝達物質が放出されて、別のニューロンまたは効果細胞（筋肉や腺など）に信号を伝達します。ニューロンの極性は、ニューロンと効果細胞間の通信に必要な情報の方向性の流れを促進します。^[4]

白血球や線維芽細胞など、多くの細胞型は移動能力があり、これらの細胞が一方向に移動するためには、明確な前部と後部がなければなりません。細胞の前部には前縁があり、これは通常、ラメリポディアと呼ばれる細胞膜の平らな波型、またはフィロポディアと呼ばれる薄い突起によって定義されます。ここで、移動方向へのアクチンの重合により、細胞は細胞の前縁を伸ばして表面に付着することができます。^[5]細胞の後部では、接着が解体され、ストレスファイバーと呼ばれるアクチンマイクロフィラメントの束が収縮して後縁を前方に引っ張り、細胞の残りの部分に追いつくようにします。この前後極性がなければ、細胞は方向性のある移動を調整できません。^{[6] [7] [8]}

出芽酵母であるサッカロミセス・セレビシエは、極性発達の基本要素の多くが解明されている真核生物学のモデル系である。酵母細胞は細胞極性の多くの特徴を他の生物と共有しているが、特徴的なタンパク質成分は少ない。酵母では、極性は遺伝的ランドマーク、出芽の場合はタンパク質Rsr1のパッチ、接合突起の場合はRax1のパッチで形成されるように偏っている。^[9]極性ランドマークがない場合（つまり、遺伝子欠失変異体の場合）、細胞は自発的に対称性を破ることができ、^[10]極性部位の位置がランダムに決定される。自発分極は依然として単一の出芽部位しか生成せず、これは最大の極性パッチで局所的に極性タンパク質濃度を増加させ、極性タンパク質を枯渇させることで全体的に極性タンパク質を減少させる正のフィードバックによって説明されている。酵母における極性のマスター制御因子はCdc42で、真核生物のGTPaseのRas相同Rhoファミリーのメンバーであり、植物のRop GTPaseと原核生物の小型GTPaseを含む小型GTPaseのスーパーファミリーのメンバーです。極性部位が形成されるには、Cdc42が存在し、GTPをサイクリングできる必要があります。このプロセスは、グアニンヌクレオチド交換因子（GEF）、Cdc24、およびGTPase活性化タンパク質（GAP）によって制御されます。Cdc42の局在は、細胞周期キューといくつかの結合パートナーによってさらに制御されます。^[11]細胞周期のタイミングと芽部位におけるCdc42の蓄積の関係を解明するための最近の研究では、光を使用してタンパク質の局在を制御するオプトジェネティクスが使用されています。 ^[12]交配中、これらの極性部位は再配置できます。数学モデルとイメージング実験を組み合わせると、この再配置はアクチン駆動小胞輸送によって媒介されることが示唆される。^{[13] [14]}

脊椎動物の体は、前後（頭から尾）、背腹（背骨から腹）、左右（例えば、心臓は体の左側にあります）の 3 つの軸に沿って非対称です。これらの極性は、発達中の胚の中で、いくつかのプロセスの組み合わせによって生じます。1)非対称細胞分裂（2 つの娘細胞が異なる量の細胞物質（mRNA、タンパク質など）を受け取る）、2) 細胞内の特定のタンパク質または RNA の非対称な局在（多くの場合、細胞骨格によって媒介される）、3) Wnt 、 Nodal 、骨形成タンパク質（BMP）などの胚全体にわたる分泌タンパク質の濃度勾配、4) 膜受容体とリガンドの差次的発現（受容体発現細胞が一方の運命を採用し、その隣接細胞は別の運命を採用する）です。^{[15] [16]}

細胞極性は成体生物の非対称軸を定義するだけでなく、頂端狭窄、陥入、上皮被膜など、胚発生中の個々の細胞運動と集団細胞運動の両方を制御します。これらの運動は、胚の形を整え、成体の複雑な構造を形成するために重要です。

細胞極性は、主に特定のタンパク質が細胞膜の特定の領域に局在することによって生じます。この局在には、細胞膜への細胞質タンパク質のリクルートメントと、ゴルジ体から膜貫通タンパク質を送達するための細胞骨格フィラメントに沿った極性小胞輸送の両方が必要です。細胞極性の制御を担う分子の多くは、細胞タイプ全体および後生動物種全体で保存されています。例としては、PAR複合体（Cdc42、PAR3 / ASIP、PAR6、非定型タンパク質キナーゼC）、^{[17] [18]} Crumbs複合体（Crb、PALS、PATJ、Lin7）、およびScribble複合体（Scrib、Dlg、Lgl）があります。^[19] これらの極性複合体は、細胞膜の細胞質側に非対称に局在しています。例えば、上皮細胞ではPARとCrumbs複合体は頂端膜に沿って局在し、Scribble複合体は側方膜に沿って局在する。^{[20]これらの極性複合体は、} Rho GTPaseと呼ばれるシグナル伝達分子のグループとともに、小胞輸送を制御し、主にホスホイノシチドと呼ばれるリン脂質のリン酸化を制御することによって細胞質タンパク質の局在を制御することができる。ホスホイノシチドは細胞膜上のタンパク質のドッキング部位として機能し、そのリン酸化状態によってどのタンパク質が結合できるかが決まる。^[21]

主要な極性タンパク質の多くはよく保存されていますが、細胞の種類によって細胞極性を確立するためのメカニズムは異なります。ここでは、2つの主要なクラスを区別することができます：（1）自発的に極性化できる細胞、および（2）内因的または環境的な手がかりに基づいて極性を確立する細胞。^[22]

自発的な対称性の破れは、非線形化学反応速度論による分子の確率的変動の増幅によって説明できます。この生物学的現象の数学的根拠は、アラン・チューリングが1953 年の論文「形態形成の化学的根拠」で確立しました。^[23]チューリングは当初、多細胞システムにおけるパターン形成を説明しようとしましたが、同様のメカニズムを細胞内パターン形成にも適用できます。^[24]簡単に言えば、少なくとも 2 つの相互作用する化学物質 (この場合はタンパク質) のネットワークが特定の種類の反応速度論と差動拡散を示す場合、確率的濃度変動によって大規模な安定したパターンの形成が生じ、分子の長さスケールから細胞または組織スケールにまで橋渡しされます。

細胞外または細胞内の合図に依存する2番目のタイプの極性確立の代表的な例は、C.エレガンスの接合子です。ここでは、2組のタンパク質間の相互阻害が極性確立と維持を導きます。一方では、PAR-3、PAR-6、aPKC（前部PARタンパク質と呼ばれる）は、対称性が破れる前に細胞膜と細胞質の両方を占めます。PAR-1、C.エレガンス特異的なリングフィンガー含有タンパク質PAR-2、およびLGL-1（後部PARタンパク質と呼ばれる）は、主に細胞質に存在します。^[25]雄の中心体は、皮質の流れを誘導することによって、最初は均一であった前部PARの膜分布を破壊する合図を提供します。これらは、細胞の片側に向かって前部PARを移流させ、後部PARが他の極（後部）に結合できるようにすると考えられています。^{[26] [27]}その後、前方PARタンパク質と後方PARタンパク質は、それぞれの細胞膜領域から相互に排除することで、細胞質分裂まで極性を維持します。