折り畳まれていないタンパク質の反応

UPR （小胞体ストレス応答）は、小胞体（ER）ストレスに関連する細胞ストレス応答です。[ 1 ]これ^は、哺乳類種間^{[2] 、}酵母^{[1] [3]} 、および線虫生物間で保存されていることがわかっています。

UPR は、小胞体の腔内に折り畳まれていないタンパク質や誤って折り畳まれたタンパク質が蓄積すると活性化されます。このシナリオでは、UPR には 3 つの目的があります。まず、タンパク質の翻訳を停止し、誤って折り畳まれたタンパク質を分解し、タンパク質の折り畳みに関与する分子シャペロンの産生を増やすシグナル伝達経路を活性化することで、細胞の正常な機能を回復することです。これらの目的が一定期間内に達成されない場合、または破壊が長引く場合、UPR はアポトーシスを目指します。

UPRの持続的な過剰活性化はプリオン病やその他の神経変性疾患に関係していることが示唆されており、UPRを阻害することがこれらの疾患の治療になる可能性がある。^[4] UPR阻害の適応性のある疾患には、クロイツフェルト・ヤコブ病、アルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病などがある。^{[5] [6]}

タンパク質の折り畳みという用語は、新生ポリペプチドがリボソームによって合成された後にタンパク質が生成される過程すべてを指します。他の細胞小器官に分泌または選別されるタンパク質は、シグナル認識粒子(SRP)と相互作用する N 末端シグナル配列を持っています。SRP は複合体全体 (リボソーム、RNA、ポリペプチド) を ER 膜に導きます。この配列が「ドッキング」すると、タンパク質は翻訳を継続し、結果として生じた鎖はポリペプチド転座装置を介して ER に直接送られます。ポリペプチドが内腔環境に入るとすぐに、残りのポリペプチドの翻訳が継続されながら、タンパク質の折り畳みが開始されます。

タンパク質の折り畳み段階では、反応を起こすために必要なさまざまな基質に加えて、反応を調整および制御するさまざまな酵素と分子シャペロンが関与します。これらのうち注目すべき最も重要なのは、 N結合型グリコシル化とジスルフィド結合の形成です。N結合型グリコシル化は、タンパク質配列がトランスロコンを通ってERに入るとすぐに起こり、そこで糖分子でグリコシル化され、レクチン分子であるカルレティキュリン（CRT、ER腔内で可溶性）とカルネキシン（CNX、膜結合性）の重要なリガンドを形成します。 ^[7] ERの高度に酸化的な環境に恵まれたタンパク質ジスルフィドイソメラーゼは、ジスルフィド結合の形成を促進します。ジスルフィド結合はタンパク質に構造的安定性を与え、極端なpHや分解酵素などの悪条件に耐えられるようにします。

ER は、ER の機能に支障をきたすことなく、誤って折り畳まれたタンパク質を認識することができます。前述の糖分子は、細胞がタンパク質の折り畳みを監視する手段であり続けます。誤って折り畳まれたタンパク質は、特徴的にグルコース残基が欠如するため、UGGT (UDP-グルコース:糖タンパク質グルコシルトランスフェラーゼ) 酵素による識別と再グリコシル化の対象となります。^[7]これで正常な折り畳みプロセスが回復しない場合は、誤って折り畳まれたタンパク質の露出した疎水性残基が、熱ショックタンパク質 70kDa ファミリーのメンバーであるタンパク質グルコース調節タンパク質 78 (Grp78) に結合し^[8]、タンパク質がそれ以上移動して分泌されるのを防ぎます。^[9]

特定のタンパク質が誤って折り畳まれ続ける状況では、タンパク質は互いに凝集して蓄積する可能性があるため、ERの適切な機能に対する脅威であると認識されます。このような状況では、タンパク質は小胞体関連分解（ERAD）によって誘導されます。シャペロンEDEMは、誤って折り畳まれたタンパク質をPDIおよびGrp78と一時的な複合体で細胞質に戻すように誘導します。^[10]ここで、タンパク質は複数のユビキチン分子によってタグ付けされ、ユビキチン-プロテアソーム経路に入り、細胞質プロテアソームによる分解の標的となります。

タンパク質の折り畳みを成功させるには、機能する分子シャペロンの代謝エネルギー要件を満たすためのグルコース、常在分子シャペロンに結合して蓄えられたカルシウム、ジスルフィド結合の形成に必要な酸化環境を維持する酸化還元緩衝液など、基質の厳密に制御された環境が必要である。^[11]

タンパク質の折り畳みの失敗はHLA-B27によって引き起こされ、重要なシグナル伝達タンパク質（IL-10とTNF）のバランスを崩す。少なくとも一部の障害はHLA-B27の正しい折り畳みに依存している。^[12]

しかし、状況によってタンパク質の折り畳みがより全体的に混乱し、ER の対処メカニズムが圧倒される場合、UPR が活性化されます。

分子シャペロン BiP/Grp78 は、ER 内でさまざまな機能を果たします。これは、UPR の下流シグナル伝達の開始に関与する特定の膜貫通受容体タンパク質を、その内腔ドメインに結合することで不活性状態に維持します。誤って折り畳まれたタンパク質の圧倒的な負荷、または単にタンパク質 (IgG など) の過剰発現^[13]では、これらのタンパク質の露出した疎水性領域に結合するために利用可能なBiP/Grp78 がより多く必要となり、その結果、この要件を満たすために BiP/Grp78 はこれらの受容体部位から解離します。細胞内受容体ドメインから解離すると、それらが活性化されます。PERKは休止細胞で BiP と二量体を形成し、ER ストレスを受けた細胞ではオリゴマーを形成します。

これは伝統的に受け入れられているモデルですが、その妥当性については疑問が提起されています。このモデルを支持する遺伝学的および構造的証拠は、BiPの解離がIre1の活性化と相関しているだけであり、特にそれを引き起こすわけではないことを示していると主張されています。^[14]折り畳まれていないタンパク質がIre1のER内腔ドメインと直接相互作用し、オリゴマー化とトランスオートリン酸化を引き起こすという代替モデルが提案されています。^[14]ただし、これらのモデルは相互に排他的ではなく、Ire1と折り畳まれていないタンパク質の直接的な相互作用と、IRE1からのBiPの解離の両方がIre1経路の活性化に寄与する可能性もあります。

UPR アクティベーションの初期段階には、2 つの重要な役割があります。

PERK受容体による翻訳減衰と細胞周期停止 これはUPR活性化の数分から数時間以内に起こり、ERへのさらなる翻訳負荷を防ぎます。PERK（タンパク質キナーゼRNA様小胞体キナーゼ）は、遊離腔内ドメインのオリゴマー化と自己リン酸化によって活性化します。活性化された細胞質ドメインは、mRNA翻訳機構の調節イニシエーターであるeIF2のαサブユニットを直接リン酸化することで、翻訳減衰を引き起こします。 ^[15]これにより、細胞周期の実行に関与するタンパク質機構の翻訳減衰も生じ、G1期での細胞周期停止を引き起こします。^{[16] PERK欠損は、} ERストレスに関連する生理学的状態に大きな影響を与える可能性があります。

UPR の機能に関与するタンパク質の生産増加 UPR の活性化は、Grp78 のさらなる生産を含む、異常折り畳みタンパク質のシャペロン、タンパク質折り畳み、および ERAD に関与するタンパク質の上方制御をもたらします。最終的に、これにより、細胞が異常折り畳みタンパク質負荷に対処できる分子メカニズムが増加します。これらの受容体タンパク質は、次のように特定されています。

• イノシトール要求性キナーゼ1 ^[17]の遊離内腔ドメインはホモ二量体化とトランスオートリン酸化によって活性化する。^{[18]活性化されたドメインは、26bpイントロンの切断と除去によって転写因子}XBP1 （Xbox結合タンパク質）mRNA（酵母Hac1 mRNAの哺乳類相当物）を活性化することができる。活性化された転写因子は、核内のストレス要素プロモーターに直接結合することにより、UPR「ストレス遺伝子」をアップレギュレーションする。^[19]
• ATF6（活性化転写因子6）は、基本的なロイシンジッパー転写因子です。^[20] Grp78が解離すると、90kDaのタンパク質全体がゴルジ体に移行し、そこでプロテアーゼによって切断されて活性な50kDaの転写因子を形成し、核に移行します^[21]。これは、UPRでアップレギュレーションされる遺伝子の上流のストレス要素プロモーターに結合します。^[22]

これらの反応の目的は、蓄積されたタンパク質負荷を除去しながら、さらなるストレスの増加を防ぎ、ER の正常な機能をできるだけ早く回復させることです。

UPR 経路が異常な形で活性化されると、例えば肥満が慢性ER ストレスを引き起こし、経路が恒常的に活性化している場合、インスリン シグナル伝達に対する不感症、ひいてはインスリン抵抗性につながる可能性があります。肥満に苦しむ人は、細胞の分泌および合成システムに対する要求が高まります。異常な状態が ER 恒常性を乱すため、細胞ストレス シグナル伝達と炎症経路が活性化されます。

ER ストレスの下流効果は、インスリン受容体基質 (IRS-1) のチロシン残基のインスリン刺激リン酸化の大幅な減少です。IRS-1 はインスリンチロシンキナーゼ (インスリン受容体) の基質です。C-Jun N 末端キナーゼ (JNK) も IRE-1α によって高レベルで活性化されます。IRE-1α 自体も ER ストレスの存在下でリン酸化されて活性化されます。その後、JNK は IRS-1 のセリン残基をリン酸化して、インスリン受容体シグナル伝達を阻害します。IRE-1α は腫瘍壊死因子受容体関連因子 2 ( TRAF2 ) もリクルートします。IRE-1α と JNK に依存するこのキナーゼカスケードは、ER ストレスによるインスリン作用の阻害を媒介します。^[23]

肥満は、ER にかかるストレスと負担の結果として UPR 経路に慢性的な細胞刺激を与え、インスリン ホルモン シグナル伝達に対する正常な細胞応答を回復させなければ、2 型糖尿病を発症する可能性が非常に高くなります。

骨格筋は生理的ストレスに敏感で、運動は ER の恒常性を損なう可能性があります。そのため、運動誘発性のER ストレスに反応して、UPR によって ER シャペロンの発現が誘導されます。運動中の筋肉収縮により、骨格筋の特殊な ER ネットワークである筋小胞体 (SR) からカルシウムが放出されます。次に、このカルシウムはカルシニューリンおよびカルシウム/カルモジュリン依存性キナーゼと相互作用し、転写因子を活性化します。次に、これらの転写因子は、運動によって制御される筋肉遺伝子の発現を変化させます。転写コアクチベーターであるPGC-1alpha は、ATF6alpha を共活性化することにより、骨格筋で組織特異的に UPR を媒介する重要な転写因子です。そのため、急性および長期の運動トレーニングの後、筋肉で PGC-1alpha が発現します。この転写因子の機能は、ミトコンドリアの数と機能を増加させることと、骨格繊維を疲労に強い酸化の遅い筋繊維に切り替えることを誘導することです。したがって、このUPR経路は、持久力トレーニングを受けた筋肉の変化を仲介し、疲労に対する耐性を高め、将来のストレスから筋肉を保護します。^[24]

長期にわたるストレスの状態で、UPR の目標は、細胞の生存を促進することから、細胞をアポトーシスの経路に導くことへと変わります。3 つの UPR 受容体経路すべての下流のタンパク質は、アポトーシス促進の役割を果たすことが確認されています。ただし、「アポトーシス スイッチ」がアクティブになる時点はまだ特定されていませんが、ストレスの解消が達成されていない一定期間を超えた時点であると考えるのが論理的です。関係する 2 つの主要な UPR 受容体は、Ire1 と PERK です。

Ire1はタンパク質TRAF2と結合することでJNKシグナル伝達経路を活性化し^[25] 、その時点でヒトプロカスパーゼ4が下流のカスパーゼを活性化してアポトーシスを引き起こすと考えられている。

PERKは翻訳を阻害することが知られていますが、特定の遺伝子はこの阻害を回避できます。重要な例として、プロアポトーシスタンパク質CHOP（CCAAT/-エンハンサー結合タンパク質相同タンパク質）は、bZIP転写因子ATF4（活性化転写因子4）の下流でアップレギュレーションされ、ERストレスに特異的に反応します。^[26] CHOPは抗アポトーシスミトコンドリアタンパク質Bcl-2のダウンレギュレーションを引き起こし、^[27]ミトコンドリアの損傷、シトクロムcの放出、カスパーゼ3の活性化を引き起こすタンパク質によるミトコンドリアでのプロアポトーシスドライブを促進します。

病気

UPR阻害が有効な疾患としては、クロイツフェルト・ヤコブ病、アルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病などがある。^[28]

小胞体ストレスは、非アルコール性脂肪性肝疾患（NAFLD）の誘発と進行に大きな役割を果たしていると報告されている。高脂肪食を与えられたラットでは、ERストレスマーカーCHOP、XBP1、GRP78の増加が見られた。ERストレスは、肝臓の新規脂肪生成を活性化し、VLDL分泌を阻害し、インスリン抵抗性と炎症プロセスを促進し、細胞のアポトーシスを促進することが知られている。したがって、脂肪蓄積レベルが増加し、NAFLDをより深刻な肝臓状態に悪化させる。^{[29 ]} ショウガ抽出物とオメガ3脂肪酸は、非アルコール性脂肪性肝ラットモデルにおいて小胞体ストレスを改善すると報告されている。^[29]

前述のように、UPRは病状における代償機構として活性化されることもある。例えば、UPRはホスホランバンタンパク質をコードする遺伝子の変異により、遺伝性の拡張型心筋症においてアップレギュレーションされる。^[30]さらに活性化すると、PLN変異型拡張型心筋症のヒト人工多能性幹細胞モデルにおいて治療効果があることが証明された。^[30]

• ブレフェルジン A は、折り畳まれていないタンパク質に対する応答または小胞体ストレス応答 (ER ストレス)の非常に一般的な誘導物質です。
• タプシガルギン^[31]は、小胞体Ca2 ⁺ -ATPase（SERCA）の阻害によりER Ca2 ⁺の枯渇を引き起こす。
• A23187 ^[31]はERストレスタンパク質の発現をアップレギュレーションする
• 2-デオキシグルコース^[31]
• ジチオトレイトール^[31]はタンパク質のジスルフィド結合を還元する。変性したタンパク質はER内に蓄積する。
• フェンレチニドとボルテゾミブ（ベルケイド）は、それぞれ異なる細胞メカニズムを介して作用し、ER ストレスを誘発して、黒色腫細胞のアポトーシスを引き起こします。
• ツニカマイシンはN結合型糖化を阻害します。

• デングウイルスは、感染細胞における複製を促進するためのウイルス誘導反応の一環として、PERK依存性ERストレスを誘導する。^[32]
• インフルエンザウイルスは、感染細胞での複製とアポトーシス誘導に小胞体タンパク質57kD（ERp57）を必要とする。^[33]

• 小胞体ストレス応答（ERストレス）
• ミトコンドリアの折り畳まれていないタンパク質の反応
• 攻撃的
• PERK阻害剤