細胞間相互作用

タイトジャンクションは、同じ組織の細胞同士を結合させ、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、頂端膜と基底外側膜を取り囲む細胞外液を分離する機能も果たします。^{[ 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表面 直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整列します。例えば、消化管上皮細胞の頂端表面は、外部環境と体を分離する選択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、さまざまなタンパク質で構成されています。主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）、およびトリセルリンの4種類です。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ホモフィリック（同種のタンパク質間）およびヘテロフィリック（異なる種類のタンパク質間）の相互作用を形成することにより、タイトジャンクションバリアを形成します。細胞質ドメインは、細胞骨格と相互作用して、それらを固定します。^{[ 3 ]}

3 種類の接着結合のうち、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 種類のみです。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。接着結合はタイトジャンクションのすぐ下に位置しています。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構成されています。カドヘリンには 100 種類以上あり、さまざまな接着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-、N-、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ます。これらは接着部位であり、細胞を囲むものではありません。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から構成されています。これらのタンパク質は、隣接する細胞上で互いに相互作用する細胞外ドメインを持っています。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します。デスモソームは細胞間シグナル伝達にも関与しています。^{[ 4 ]}

ギャップ結合は、隣接する細胞間で小分子が拡散することを可能にす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な部位です。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、および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個が一方の細胞膜上にヘミチャネルを形成し、隣接する細胞膜上のヘミ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Ca2 ⁺濃度など多くの要因によって調節されます。^{[ 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つ。 細胞シグナル伝達により、細胞は隣接する細胞、近くの細胞（パラクリン）、さらには遠く離れた細胞（内分泌）とコミュニケーションをとることができる。この結合は受容体の構造変化を誘発し、それが対応する細胞に反応を引き起こす。これらの反応には、遺伝子発現の変化や細胞骨格構造の変化が含まれる。細胞膜の細胞外側には、外向きに突き出てシグナルとして機能する様々なタンパク質、炭水化物、脂質が存在する。細胞間の直接接触により、ある細胞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る。真核生物では、初期発生段階の多くの細胞が直接接触によってコミュニケーションをとる。^{[ 5 ]}

神経系の活動に不可欠なシナプス伝達は、ニューロンと標的細胞の間で起こります。これらの標的細胞は、ニューロンまたは他の細胞型（筋肉細胞や腺細胞など）である場合もあります。 カドヘリンファミリーの一員であるプロトカドヘリンは、シナプス（シナプス接合部とも呼ばれる）でニューロンと標的細胞の接着を媒介します。ニューロンと標的細胞の間でコミュニケーションが起こるためには、脱分極の波がニューロンの長さに沿って伝わり、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け取る膜に属し、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、運動ニューロンと筋線維の間にシナプスが形成されます。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信号を同時に受け取り、統合する能力によって、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、細胞壁は細胞間のコミュニケーションの障壁となっています。この障壁は、原形質連絡と呼ばれる特殊な接合部によって克服されます。原形質連絡は、隣接する細胞の細胞質を繋ぐギャップ結合に似ています。イオン、アミノ酸、糖などの小さな分子（1000 Da未満）は、原形質連絡を自由に拡散できます。これらの小さな分子には、シグナル伝達分子や転写因子が含まれます。チャネルのサイズも調節されており、最大10,000 Daの分子が通過できます。これらのチャネルの透過性は、Ca2+濃度を含む多くの要因に依存します。細胞質Ca2+濃度が増加すると、原形質連絡を通る物質の通過が可逆的に制限されます。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、環状構造と呼ばれる連続したチャネルを形成します。さらに、チャネル内には、細胞間を繋ぐデスモチューブと呼ばれる小胞体の延長部が存在します。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、およびウイルス感染に対する防御において重要な役割を果たしている。^{[ 1 ]}

白血球は異常な細胞を破壊するだけでなく、細菌やその他の異物から体を守る働きもします。これらの相互作用は一時的なものですが、即時の免疫応答として非常に重要です。感染と戦うためには、白血球は血液から感染した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遊出と呼ばれます。血管外遊出には、白血球と血管の内壁を覆う内皮細胞との間の細胞間相互作用の形成と破壊が繰り返し必要となります。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）群によって媒介されます。^{[ 1 ]}

免疫系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細胞やキラーT細胞の活性化と増殖を刺激します。ヘルパーT細胞はまた、異物を貪食し、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、同じ抗原を識別できるヘルパー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る。血管の内皮または内壁が損傷すると、コラーゲン線維を含む結合組織が局所的に露出する。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する。続いて、血小板の活性化と凝集が起こり、血小板がしっかりと付着し、血管損傷部位に近隣の血小板を呼び寄せる化学物質を放出する。その後、この血小板の凝集体の周囲にフィブリンの網目が形成され、血栓の強度が増す。^{[ 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。細菌は、代謝を制御し、成長を調節する手段として、物理的な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コミュニケーションをとります。一般的な例であり、最も研究されている細菌細胞間相互作用の形態の1つがバイオフィルムです。バイオフィルムは、生物学的または非生物的な表面に付着できる細胞集合体です。細菌は、基質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は、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を高めます。^{[ 9 ]}

がんは細胞間相互作用の喪失によって発生する可能性があります。正常細胞では、隣接細胞との接触によって細胞の成長が阻害される接触阻害によって成長が制御されています。接触阻害は、細胞接着において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塊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、制御不能な成長または増殖、腫瘍形成、および転移が起こります。^{[ 10 ]}

病原性細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。侵入細菌の最初のステップは通常、宿主細胞への付着です。強力な付着は病原性を決定する特性であり、感染が起こ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、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、その正常な機能を阻害し、細胞骨格を破壊または再編成します。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、タンパク質毒素を宿主細胞に直接注入できるIII型分泌系を持っています。これらの毒素は最終的に細胞骨格の再編成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厳密に制御されています。遺伝的欠陥やこれらの相互作用の調節異常は、さまざまな疾患を引き起こす可能性があります。白血球が健康な組織に遊走する調節異常は、急性呼吸窮迫症候群や一部の関節炎などの状態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引き起こされます。自己抗体は上皮細胞間の接着を破壊します。これにより、皮膚や粘膜に水疱が生じます。コネキシン遺伝子の変異は、心臓奇形や神経性難聴を含む8つのヒト疾患を引き起こします。^{[ 1 ]}