シャペロンを介したオートファジー

シャペロン介在性オートファジー（CMA）とは、シャペロンに依存して可溶性の細胞質 タンパク質を選択し、それをリソソームに送り、リソソーム膜を直接通過させて分解するプロセスを指します。^{[1] [2]このタイプの}オートファジーのユニークな特徴は、この経路で分解されるタンパク質の選択性と、追加の小胞を形成する必要なくこれらのタンパク質をリソソーム膜を介して直接シャトルすることです（図1）。

CMA によって分解されるタンパク質は、細胞質タンパク質または細胞質に到達した他のコンパートメントのタンパク質です。したがって、CMA に関与する成分の一部は細胞質に存在し、他の成分はリソソーム膜に存在します (表 I )。

研究によりhsc70のようなシャペロンの役割が発見されるにつれて、あらゆる形態のオートファジーにおける分解のためのタンパク質の特定の選択がさらに理解されるようになりました。hsc70は特定のアミノ酸配列認識に基づいて細胞質タンパク質をCMAに標的としますが、タンパク質をマクロオートファジーまたはミクロオートファジーに標的とする場合は異なる働きをします。^[3]

タンパク質がCMA基質となるメカニズムの1つとして、そのアミノ酸配列にKFERQと生化学的に関連するペンタペプチドモチーフがなければなりません。 ^[4]このCMA標的化モチーフは、基質をリソソーム表面に標的とする70kDaの熱ショック同族タンパク質（hsc70）である細胞質シャペロンによって認識されます。^[5]この基質タンパク質シャペロン複合体は、この経路の受容体として機能するリソソーム関連膜タンパク質2A型（LAMP-2A）に結合します。 ^[6] LAMP-2Aは単一スパン膜タンパク質で、単一遺伝子lamp2の3つのスプライスバリアントの1つです。^[7]他の2つのアイソフォームLAMP-2BとLAMP-2Cは、それぞれマクロオートファジーと小胞輸送に関与しています。基質タンパク質は、LAMP-2Aに結合した後に展開するが、このプロセスは、膜結合型hsc70とその共シャペロンであるBag1、hip、hop、hsp40（リソソーム膜でも検出）によって媒介されると考えられる。^[8]この基質のLAMP-2Aモノマーへの結合は、展開後に基質が通過できる活性転座複合体として機能するLAMP-2A多量体の組み立てを誘発する。^[9]ここで、転座複合体は、リソソームによる内部移行のために展開できる基質タンパク質のみを選択する。例えば、人工CMA基質を用いた研究では、hsc70シャペロンの基質への結合またはリソソームへの結合には、必ずしも基質タンパク質が展開可能である必要はないが、リソソーム転座では、展開が内部移行の必須条件となることが示された。^[3]基質の転座にはリソソーム腔内のhsc70の存在が必要であり、これは基質をリソソームに引き込むか、または基質が細胞質に戻るのを防ぐことによって作用する可能性がある。^[10]転座後、基質タンパク質はリソソームプロテアーゼによって急速に分解される。図1はCMAのさまざまなステップを示している。

CMA の制限段階は基質タンパク質の LAMP-2A への結合であり、その結果、リソソーム膜における LAMP-2A のレベルは CMA 活性と直接相関します。したがって、このオートファジー経路の活性を調節するために、細胞はリソソーム内の LAMP-2A モノマーの分解速度を制御し、LAMP-2A 分子を新規に合成することにより、リソソーム膜における CMA 受容体のレベルを厳密に制御します。さらに、基質の輸送は、LAMP-2A の転座複合体への組み立ての効率にも依存します。^[9]

CMA転座複合体の組み立てと分解は、それぞれhsp90シャペロンとhsc70シャペロンによって媒介されます。^[9]リソソーム膜でのLAMP-2Aモノマーの分解は、リソソーム膜の個別のコレステロールに富む脂質マイクロドメインで起こり、カテプシンAと未確認のリソソームメタロプロテアーゼによって媒介されます。^[11]したがって、LAMP-2Aの組み立て、活性転座複合体への分解、およびマイクロドメイン領域での分解は、このプロセスの動的性質と、リソソーム膜でのCMA受容体の横方向の移動性の重要性を浮き彫りにしています。

CMAは、分解されたタンパク質のアミノ酸のリサイクルを促進すること（エネルギー細胞バランスへの寄与）と、異常なタンパク質や損傷したタンパク質を除去すること（細胞の品質管理への寄与）によって、細胞の恒常性の維持に寄与する。^[12]

CMA はさまざまな組織（肝臓、腎臓、脳）で常時活性であり、研究対象となった培養細胞のほぼすべてで活性である。しかし、ストレス要因や細胞の栄養状態の変化に反応して最大限に活性化される。栄養供給が制限されると、細胞はオートファジーを活性化して細胞内成分を分解し、この悲惨な状態で細胞が利用できるエネルギーと構成要素を提供する。^[13]マクロオートファジーは飢餓状態になってから 30 分ほどで活性化され、少なくとも 4～8 時間は高い活性を維持します。飢餓状態が 10 時間以上続くと、細胞は選択的オートファジー、すなわち CMA に切り替わり、CMA は絶食状態になってから約 36 時間で最大活性のプラトーに達し、約 3 日間このレベルを維持することが知られている。 CMA は個々の細胞質タンパク質に対して選択性があるため、細胞は飢餓状態では必要のないタンパク質のみを分解して、必須タンパク質の合成に必要なアミノ酸を生成することができます。たとえば、最もよく特徴付けられている CMA 基質のいくつかは、解糖系に関与する酵素であり、この経路は絶食状態では活性が低下することが知られています。^{[14] [15]}

CMAは細胞代謝の調節に重要である。肝臓におけるCMAの特異的な枯渇は、肝臓での脂肪蓄積を伴う強力な肝グリコーゲン使用、グルコース恒常性の変化、エネルギー消費の増加、末梢脂肪の減少をもたらす。^[15]プロテオミクス解析により、炭水化物および脂質代謝経路のいくつかの酵素がCMA基質であることが特定され、ノックアウトマウスにおけるそれらの分解の変化がCMA欠損マウスの異常な代謝表現型を説明した。^[15]遊離脂肪酸の代謝に関与する酵素（すなわち、リノール酸およびリノール酸経路）を選択的に分解するCMAの能力は、造血幹細胞の活性化の鍵であることが証明されており、^[16]幹細胞機能におけるCMAの役割を裏付けている。CMA活性は胚性幹細胞の分化中にアップレギュレーションされ、IDH1およびPlin2の分解に寄与する。^{[17] [18]}

CMA活性はレチノイン酸受容体αシグナル伝達を介して調節されることが示されており、培養細胞内で設計されたオールトランスレチノイン酸誘導体によって特異的に活性化される。^[19]

CMA は、損傷したタンパク質や機能しなくなったタンパク質を選択的に除去する役割も担っています。この機能は、細胞がタンパク質損傷を引き起こす物質にさらされたときに重要です。CMA の選択性により、損傷したタンパク質のみがリソソームに送られて分解されるからです。たとえば、酸化ストレスや毒性化合物への曝露は、CMA をアップレギュレーションする刺激です。^[20]その結果、CMA に欠陥のある細胞は、コントロール細胞よりもこれらの障害の影響を受けやすくなります。^[21]

CMA は、この経路で分解される特定のタンパク質と関与する細胞の種類に応じて、さまざまな特殊な機能も果たします。たとえば、既知の CMA 基質には、生存に重要な神経因子である MEF2D、腎尿細管細胞の成長制御に重要な転写因子である Pax2、NFκB の既知の阻害剤である IκBα などがあります。CMA は、樹状細胞における抗原提示にも寄与することが示唆されています。^{[22] [23] [24]}

CMAは、CMA受容体LAMP-2Aの発現増加によりT細胞活性化中に活性化される。 ^[25] CMAは、T細胞活性化の負の調節因子（Itch、RCAN1）の分解を通じてT細胞活性化に不可欠である。その結果、T細胞におけるCMAの特異的な枯渇は、免疫化または感染後の免疫応答不全をもたらす。^[25]

CMAは遺伝毒性ストレスによって増加する。^[26]逆に、CMA活性の低下はゲノム不安定性の増加と細胞生存率の低下を伴う。CMAは細胞周期進行の重要なタンパク質であるChk1の除去に関与しており、CMAに障害のある細胞はDNA修復に欠陥がある。^[26]

CMAは脂肪滴タンパク質（ペリリピン2とペリリピン3 ）を分解する。^[27] CMAによるこれらの脂肪滴コートタンパク質の除去は、脂肪分解と脂肪貪食に先行する。 ^[27]その結果、CMA活性の欠陥は脂肪滴の大量蓄積と脂肪症につながる。^{[15] [27]}

CMA 活性は、老齢げっ歯類の多くの細胞タイプおよび高齢ヒトの細胞において、加齢とともに低下する。^{[28] [29] [30]}加齢による CMA の障害は、主にリソソーム膜における LAMP-2A レベルの減少によるもので、CMA 受容体の安定性の低下によるものであり、de novo 合成の減少によるものではない。生涯を通じて LAMP-2A の正常レベルが維持されるトランスジェニックマウスモデルの研究では、これらの動物は「よりクリーンな」細胞、ストレスへの反応の改善、そして全体として健康寿命の延長を示した。^[30]これらの研究は、CMA 活性の低下が、老齢生物に特徴的な不良な細胞恒常性およびストレスへの非効率的な反応に寄与している可能性を裏付けている。高脂肪食は CMA を阻害する。^{[31]これは、リソソーム表面における CMA 受容体の安定性の低下によるものである。最近では、CMA は}造血幹細胞機能を維持することで新しい血液細胞の再生能力に関与している^{[32] [33]}

CMA活性の主な欠陥は、パーキンソン病^{[34] [35] [36]}や特定のタウオパチー^{[37] [38]などの}神経変性疾患でも報告されています。これらの場合、欠陥は、これらの疾患で蓄積することが知られている病原性タンパク質（パーキンソン病のα-シヌクレイン、UCHL1、タウオパチーの変異タウ）のリソソーム膜への「密な」結合にあります。これらの毒性タンパク質は、多くの場合、異常な親和性でLAMP-2Aに結合し、リソソーム膜で「詰まり効果」を発揮し、CMAを介した他の細胞質基質タンパク質の分解を阻害します。^{[34] [35]}

CMAと癌との関連も確立されている。^{[39] [40] [41]} CMAは多くの異なるタイプのヒト癌細胞でアップレギュレーションされており、これらの細胞でCMAを阻害すると、増殖、腫瘍形成、転移能力が低下します。実際、マウスのすでに形成された実験腫瘍におけるLAMP-2Aの発現を阻害すると、腫瘍が退縮しました。^[39]

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