細胞間の認識

細胞生物学において、細胞間認識とは、細胞が隣接する細胞の種類を別の種類と区別する能力のことである。^[1] この現象は、反対側の細胞表面にある相補的な分子が出会ったときに起こる。一方の細胞表面の受容体が、近くの細胞にある特定のリガンドに結合し、単純な接着から複雑な細胞分化に至るまでの細胞行動を制御する一連のイベントを開始する。^{[2]他の細胞機能と同様に、細胞間認識は、関与する}遺伝子やタンパク質の有害な変異 の影響を受け、エラーが発生する可能性がある。細胞間認識によって起こる生物学的イベントは、動物の発生、マイクロバイオーム、および人間の医療にとって重要である。

細胞間認識は、異なる細胞の細胞膜に限定された 2 つの分子が互いに結合し、コミュニケーション、協力、輸送、防御、および/または成長のための応答を引き起こすときに発生します。分泌されたホルモンのように遠位の応答を誘発するのではなく、このタイプの結合では、シグナル伝達分子を持つ細胞が互いに近接している必要があります。これらのイベントは、内因性認識と外因性認識の 2 つの主なカテゴリに分類できます。^[3]内因 性認識は、同じ生物の一部である細胞が関連付けられることです。 [3] 外因性認識は、哺乳類の細胞が体内で微生物を検出するときのように、1 つの生物の細胞が別の生物の細胞を認識することです。^[3]この結合を完了する分子は、タンパク質、炭水化物、脂質で構成されており、さまざまな糖タンパク質、リポタンパク質、糖リポタンパク質が生成されます。^[3]研究では、約200～300 pNと観察されるグリカン-グリカン相互作用も細胞間認識に役割を果たしている可能性があることが示唆されています。^[4]特に複合糖質は、相補的糖質によって認識される場合に特に細胞間認識に極めて不可欠であることが研究されています。周囲の領域を確認したり、以前に行われた結合を確保したりすることで適切な結合部位を確保するために、複合糖質とその相補的糖質は柔軟な相互作用システムを作成できます。 これらの相互作用は弱いと観察されていますが、マウス胎児細胞、角膜上皮細胞、ヒト胎児癌細胞などを含むさまざまな試験対象で研究されています。^[4]

接着のための細胞間認識のより基本的なバージョンの 1 つは、動物界で最も原始的なグループである海綿動物で観察できます。海綿動物は、個々の細胞が凝集して大きなクラスターを形成することで発達します。膜結合タンパク質と分泌イオンを介して、個々の海綿動物細胞は、異なる種、さらには異なる個体間の融合を防ぎながら凝集を調整できます。^[5] これは、異なる種または同じ種の個体からの海綿動物細胞を移植する試みが失敗したときに発見されましたが、同じ個体からの細胞を使用した試みは成功しました。^[5]これは、異なる海綿動物種および個体によって発現される、カルシウム結合膜タンパク質である異なるカドヘリン によるものと考えられます。 ^[5]カドヘリンは、より複雑な生物にも存在します。マウスの胚では、細胞膜上のE カドヘリンが胚の圧縮に必要な細胞の接着を担っています。^[6]

大型多細胞生物が損傷を受けると、特定の種類の細胞を損傷部位に運ぶ際に細胞間認識が関与することがよくあります。その一般的な例として、動物のセレクチン発現細胞が挙げられます。 セレクチンは、白血球、血小板細胞、内皮細胞の膜に存在する受容体タンパク質で、膜結合グリカンに結合します。^[7] 損傷に反応して、内皮細胞はセレクチンを発現し、これが白血球細胞表面に存在するグリカンに結合します。^[7] 組織修復に関与する血小板細胞は、内皮細胞に向かう途中でセレクチンを使用して白血球と結合します。^[7] その後、白血球は自身のセレクチンを使用して、損傷部位の潜在的な病原体を認識します。^[7] このようにして、適切な細胞が損傷部位に運ばれ、即時の修復や侵入する微生物に対処します。^[7]

免疫系の認識能力を持つ細胞には、マクロファージ、樹状細胞、T細胞、B細胞などがあります。^[8]細胞間認識は、病原体を非常に一般的に識別する自然免疫系において特に重要です。このプロセスの中心となるのは、食細胞のパターン認識受容体（PRR）と病原性微生物の病原体関連分子パターン（PAMP）の結合です。^[8] PRRの一種は、Toll様受容体（TLR）と呼ばれる膜貫通型糖タンパク質のグループで、細菌細胞内の特定のリポタンパク質、ペプチドグリカン、CpGに富むDNA、鞭毛成分、および原生動物寄生虫や分生子（真菌胞子）の糖タンパク質とリン脂質を認識できます。^[8] PAMPがTLRタンパク質に結合すると、通常、多数のリン酸化、リン酸基の付加、ユビキチン化（分子を分解対象としてマークする小さなタンパク質の付加）を含む内部シグナル伝達カスケードが発生し、最終的には炎症に関連する遺伝子の転写につながります。^[8]自然免疫系の細胞によるTLRの使用は、認識できない異なるPAMPを開発する病原性細胞と、それらを認識できる新しい膜タンパク質を開発する免疫細胞との間の進化的戦いにつながっています。^[8]

単細胞生物は、協力と競争のために表面受容体を介して互いに結合することができます。これは細菌で広く観察されています。たとえば、細菌は外膜タンパク質TraAとTraBの結合を介して互いに付着し、細菌細胞が膜脂質、糖、毒素を交換できるようにする外膜交換（OME）と呼ばれるプロセスを促進します。 ^[9]細胞認識とOMEは、同じ認識グループのTraAとTraBの変異体が結合した場合にのみ達成されます。^[9]これらの相互作用は、細菌集団の抗生物質耐性に必要な生理学的多様性を生み出すことができます。^[10]大腸菌膜タンパク質ChiAは接触依存性阻害（CDI）のプロセスに関与しており、ライバルの大腸菌株の受容体に結合して毒素を放出し、それらの株の増殖を防ぎ、阻害細胞とその株のメンバーを保護します。 [ ^9]プロテウス・ミラビリス細菌はT6SSタンパク質を利用して、他の細菌コロニーを認識すると、毒素を放出するか、他のプロテウス・ミラビリス細胞にシグナルタンパク質を放出することで、そのコロニーの群れを形成して破壊します。^[9] 細菌表面受容体の接着結合もバイオフィルムの形成に関与していることが示唆されています。^[9]

赤血球は、その細胞膜内に抗原を含んでおり、それによって赤血球が特定のカテゴリーの血液細胞の一部として区別される。これらの抗原は、多糖類、糖タンパク質、または GPI（糖脂質）結合タンパク質である。 ^[11] 抗原は、リン脂質二重層の細胞外側に結合した小さな分子から、膜の両側の間を何度もループする大きな膜タンパク質まで、複雑さがさまざまである。^[11] より小さな多糖類抗原は、血液細胞を A、B、AB、および O 型に分類し、より大きなタンパク質抗原は、血液細胞を Rh D 陽性および Rh D 陰性に分類する。^[11]正しい血​​液型の生物学的役割は不明であり、痕跡的なものである可能性があるが、間違った血液型の結果は深刻であることが知られている。^[11] 微生物病原体の PAMP を認識する同じ細胞が、外来の血液細胞の抗原に結合し、その抗原が見慣れないためにそれを病原体として認識する可能性がある。^[11]赤血球の認識を内因性か外因性かに分類することは容易ではない。なぜなら、適切な抗原を持っていれば、外来細胞も生物の一部として認識される可能性があるからである。

哺乳類の受容体タンパク質の変異は細胞間認識障害を引き起こし、特定の病原体や慢性疾患に対する個人の感受性を高める可能性がある。TLRをコードする遺伝子に変異が発生すると、タンパク質は単細胞病原体の細胞壁または膜上の多糖類、脂質、またはタンパク質と結合する能力を失い、その結果、自然免疫系が感染に反応できなくなり、病気が急速に進行する可能性がある。特に、TLR2およびTLR4の遺伝子の変異は、病原体に対する感受性の増加に頻繁に関係している。^[12] TRL2遺伝子のトレオニンからシステインへの変異は、結核性髄膜炎の原因物質であるMycobacterium tuberculosisを認識できないことと関連している。 ^{[13]同じ変異T597Cは、後にハンセン病の原因物質である}Mycobacterium lepraeを 認識できないことと一致して観察された。^[14] TRL2のアルギニンからグルタミンへの変異、Arg753Glnは、グラム陽性菌による小児尿路感染症の増加に関連していた。^[15] TLR4の複数の変異、Asp299GlyおよびThr399Ileは、歯周炎を引き起こす細菌性病原体に対する感受性に関係していた。^[16] TLR変異とクローン病との関連も調査されているが、決定的な証拠は得られていない。^{[17]これらの}ミスセンス変異の共通の特徴は、置換されるアミノ酸残基が著しく異なる側鎖特性を持つことであり、これがTLRタンパク質機能の欠陥に寄与している可能性が高い。

• YouTube 動画: マクロファージ細胞における病原体認識 2020-05-06 にWayback Machineでアーカイブ