エスケーアール

輸送に必要なエンドソーム選別複合体（ESCRT）機構は、ESCRT-0、ESCRT-I、ESCRT-II、およびESCRT-IIIとして知られる細胞質タンパク質複合体で構成されています。いくつかの補助タンパク質とともに、これらのESCRT複合体は、細胞質から離れて膜を曲げたり出芽させたりするためのユニークな膜リモデリングモードを可能にします。^{[1] [2]これらのESCRTコンポーネントは、}酵母やヒトを含む多くの生物で単離され、研究されています。 ^{[3]真核生物}の特徴的なタンパク質であるこの機構は、すべての真核生物と一部の古細菌に見られます。^[4]

ESCRT機構は、多小胞体（MVB）生合成、細胞離脱、ウイルス出芽など、多くの細胞プロセスで重要な役割を果たしている。多小胞体（MVB）生合成は、ユビキチンタグ付きタンパク質が小胞の形成を介してエンドソームと呼ばれる細胞小器官に入るプロセスである。このプロセスは、細胞が誤って折り畳まれたタンパク質や損傷したタンパク質を破壊するために不可欠である。^[5] ESCRT機構がなければ、これらのタンパク質が蓄積し、神経変性疾患を引き起こす可能性がある。たとえば、ESCRT-III成分の異常は、遺伝性痙性対麻痺（HSP）などの神経疾患を引き起こす可能性がある。^[6] 2つの娘細胞を結合している膜が切断されるプロセスである細胞離脱も、ESCRT機構によって媒介される。ESCRT複合体がなければ、娘細胞は分離できず、2倍の量のDNAを含む異常な細胞が生成されます。これらの細胞は、アポトーシスと呼ばれるプロセスによって必然的に破壊されます。最後に、ウイルスの出芽、つまり特定の種類のウイルスが細胞から出るプロセスは、ESCRT 機構がなければ発生しない可能性があります。これにより、ウイルスが細胞から細胞に広がることが必然的に防止されます。

ESCRT 複合体と補助タンパク質はそれぞれ独自の構造を持ち、異なる生化学的機能を実現します。酵母と後生動物の両方において、ESCRT 機構の各タンパク質成分には多数の同義語が存在します。これらすべてのタンパク質の概要表を以下に示します。

酵母には、次のような複合体/補助タンパク質が存在します。

ESCRT-0 複合体は、細胞表面のユビキチン化タンパク質や受容体に結合してクラスター化することで、多小胞体の生成に重要な役割を果たします。次に、複合体はエンドソーム膜上の脂質に結合し、これらのタグ付きタンパク質をエンドソームにリクルートします。 ^[7]適切に局在すると、これらのタンパク質は小胞を介してエンドソームに取り込まれ、多小胞体を形成し、最終的にリソソームに運ばれ、そこで分解されます。このプロセスは、ゴルジ体を通過した損傷タンパク質を分解するための主要な経路であるため、不可欠です。^[5] ESCRT-0 複合体のコンポーネントは次のとおりです。

この複合体は、 Vps27（液胞タンパク質選別タンパク質27）とHse1の1:1ヘテロ二量体です。^{[1] [6]} Vps27とHse1は、反平行コイルドコイルGAT（タンパク質GGAとTom1にちなんで名付けられました）ドメインを介して二量体を形成します。^[1] Vps27とHse1は両方ともアミノ末端VHSドメイン（ V ps27、H RS、およびSTAMタンパク質に含まれるためこのように名付けられました）を含みます。 ^[8]これらのVHSドメインは、細胞が分解しようとしているタンパク質上のユビキチンに結合します。ユビキチンは、Hse1上のものやVps27に見られる両面ドメインなどのユビキチン相互作用モチーフと結合することもできます。FYVEドメイン（最初に同定された4つのタンパク質、Fab1p、YOTB、Vac1、EEA1にちなんで命名）は、Vps27のVHSとユビキチン相互作用モチーフドメインの間に挟まれています。^{[6] [9]一般的なエンドソーム脂質である}ホスファチジルイノシトール3-リン酸は、このFYVEドメインに結合し、ESCRT-0をエンドソームにリクルートします。^[6]

ESCRT-I 複合体の役割は、ユビキチン化されたタンパク質をクラスター化し、ESCRT-0 複合体と ESCRT-II 複合体の間の橋渡しとして働くことによって、多小胞体の生成を助けることです。^{[10]また、分裂細胞の}中央体の両側にリングを形成することによって、膜剥離中の膜認識とリモデリングにも役割を果たします 。ESCRT-I は、細胞が分離する直前に狭窄領域を形成する ESCRT-III をリクルートする役割も担っています。^[11]さらに、ESCRT-I は特定のウイルスタンパク質と相互作用することでウイルスの出芽に役割を果たし、ウイルス放出の可能性のある部位への追加の ESCRT 機構のリクルートにつながります。^[12] ESCRT-I 機構の詳細については、以下で説明します。

ESCRT-I複合体は、Vps23、 Vps28、Vps37、およびMvb12のヘテロ四量体（1：1：1：1）です。 ^[3]組み立てられたヘテロ四量体は、Vps23、Vps37、およびMvb12で構成される棒状の柄として現れ、Vps23、Vps28、およびVps37の単一のヘリックスで構成される扇状のキャップが付いています。 ^{[3] [6]} Vps23には、ユビキチンE2バリアントドメインが1つ含まれており、ユビキチン、ESCRT-0複合体、およびウイルスGagタンパク質のPTAP（プロリン、トレオニン、アラニン、プロリン）モチーフへの結合を担っています。^{[3] [6]} このユビキチンE2変異体の直後には、膜分離時にESCRT-Iを中間体に導くプロリンリッチモチーフ（GPPX _{3 Y）が存在する。} ^{[6] Mvb12も}カルボキシ末端を介してユビキチンに結合することができる。Vps28は、カルボキシ末端の4ヘリックスバンドルドメインを介してVps36のGLUEドメイン（E AP45のG RAMのようなUビキチン結合）と結合することにより、ESCRT-IとESCRT-IIの相互作用を担う。^[1]

ESCRT-II複合体は、主に多小胞体の生合成とユビキチンタグタンパク質のエンドソームへの送達中に機能します。ユビキチンタグタンパク質はESCRT-0からESCRT-Iに渡され、次にESCRT-IIに渡されます。ESCRT-IIはESCRT-IIIと結合し、貨物を含む小胞を挟んで閉じます。^[6] ESCRT-IIの具体的な側面は次のとおりです。

ESCRT-IIは、2つのVps25サブユニット、1つのVps22、および1つのVps36サブユニットからなるヘテロ四量体（2:1:1）です。^[3] Vps25分子にはPPXYモチーフが含まれており、これがVps22とVps36のウィングドヘリックス（WH）モチーフに結合して、Vps22とVps36をベースとし、Vps25分子をアームとするY字型の複合体を形成します。^{[3] [6]} Vps25分子には、ESCRT-IIとESCRT-IIIの相互作用を担うWHモチーフも含まれています。Vps36には、ホスファチジルイノシトール3-リン酸とESCRT-IのVps28に結合するGLUEドメインが含まれています。^{[3] [6]} 2つのジンクフィンガードメインが酵母Vps36のGLUEドメインにループしています。これらのジンクフィンガードメインの1つはVps28のカルボキシ末端ドメインに結合し、もう1つはユビキチンと結合する。^[6]

ESCRT-III 複合体は、ESCRT を介したすべてのプロセスで役割を果たすため、すべての ESCRT 機構の中で最も重要なものと考えられます。^[13]膜剥離とウイルスの出芽の間、ESCRT-III は膜切断直前の膜収縮部位に巻き付く長いフィラメントを形成します。^{[11] [14]}この剥離の媒介は、中心スピンドリン複合体との相互作用によって起こります。^[15] これらのフィラメント構造は多小胞体形成時にも存在し、出芽小胞を塞いで貨物タンパク質が細胞の細胞質に逃げるのを防ぐリング状のフェンスとして機能します。^[11] ESCRT-III は次のように存在し、機能します。

ESCRT-III複合体は、一時的にのみ存在し、必須成分と非必須成分の両方を含むという点で、他のすべてのESCRT機構と異なります。^{[1] [11]}機構が機能するためには、必須サブユニットが適切な順序（Vps20、Snf7、Vps24、Vps2）で組み立てられる必要があります。^[6]非必須サブユニットには、Vps60、Did2、およびIst1が含まれます。^[11] Vps20は、Snf7ポリマー組み立ての核形成剤として作用することにより、ESCRT-IIIの組み立てを開始します。次に、Vps24はSnf7と会合して複合体をキャップし、Vps2をリクルートします。^{[1] [3]}次に、Vps2がVps4を複合体に持ち込みます。^[16]各サブユニットのすべての「自由な」細胞質形態は閉じていると見なされます。つまり、各サブユニットのカルボキシ末端部分は、自己阻害様式でそれ自体に折り畳まれ、モノマーサブユニットを安定化します。^{[1] [3]}必須サブユニットと非必須サブユニットの両方を含むほとんどのESCRT-IIIサブユニットのカルボキシ末端には、MIM（M IT（微小管相互作用および輸送ドメイン）相互作用モチーフ）モチーフが含まれています。^{[17]これらのモチーフはVps4と}AAA-ATPase スパスチンとの結合を担っています。^[3]

Vps4-Vta1タンパク質は、特定のプロセスが完了した後、他のESCRT成分（通常はESCRT-III）を膜から剥離するために必要です。Vps4がESCRT-III複合体を切断するのか、複合体を再構築して特定の時間に1つの成分が剥がれるようにするのかについては議論があります。^[12] Vta1はVps4の活性化因子として作用し、その組み立てを助け、AAA-ATPase活性を高めると考えられています。^{[13] [18]}これらのタンパク質の機能は次のとおりです。

Vps4 サブユニットには、アミノ末端の MIT ドメインと中央の AAA-ATPase ドメインの 2 つの機能ドメインがあります。^[3] MIT ドメインは、Vps4 と Vps2 の MIM ドメインとの相互作用を担っています。^[1] AAA-ATPase ドメインは ATP を加水分解して、ESCRT-III 複合体の分解を促進します。^[11]この ESCRT-III の「剥離」により、関連するすべてのサブユニットをリサイクルしてさらに使用することができます。^{[11] [12]} Vta1は、Vps4 への結合を可能にする 1 つの VSL ドメイン (タンパク質V ps4、S BP1、およびL IP5 に見られるため、このように名付けられています) と、ESCRT-III サブユニット Vps60 と結合するための MIT ドメインを含む二量体タンパク質です。必須ではありませんが、Vta1 は Vps4 リングの組み立てを助け、Vsp4 の ATPase 活性を加速し、ESCRT-III の分解を促進することが示されています。^[6]

Bro1の主な機能は、ESCRT-III複合体に脱ユビキチン化酵素をリクルートすることである。 ^[19]これにより、多小胞体の生成直前に、リソソームで分解されるタンパク質からユビキチンタグが除去される。また、Bro1は、ユビキチンタグが貨物タンパク質から切断される間にESCRT-IIIを安定化させるのに役立つと推測されている。^[19]

Bro1には、ESCRT-IIIのSnf7に結合するBro1アミノ末端ドメインが含まれています。^[20]この結合により、Bro1は膜剥離部位に移動します。Bro1は、ユビキチン加水分解酵素（脱ユビキチン化酵素）であるDoa4の触媒ドメインにも結合し、これを剥離部位に移動します。Doa4は、リソソームに標的とされる貨物タンパク質からユビキチンを除去します。^[20]

多小胞体は、ユビキチン化されたタンパク質と受容体をリソソームに輸送する上で大きな役割を果たしています。^[21] ESCRT複合体は、ユビキチン化された貨物を細胞小胞に輸送し、細胞小胞は細胞のエンドソーム区画に直接出芽して多小胞体を形成します。^[21]これらの多小胞体は最終的にリソソームと融合し、貨物の分解を引き起こします。^[16]関連する機構を含むプロセスのより詳細な説明は次のとおりです。

1. ESCRT-0の構成要素であるVps27とHse1はそれぞれユビキチン化された貨物に結合する。^{[1] [21]}
2. Vps27はエンドソーム脂質であるホスファチジルイノシトール3リン酸に結合し、複合体全体をエンドソームにリクルートする。^{[1] [21]}
3. Vps27はESCRT-IのVps23サブユニットに結合し、ESCRT-Iをエンドソームに運びます。ESCRT-Iはユビキチン化されたタンパク質にも結合することができます。^{[1] [21]}
4. Vps36はESCRT-IサブユニットVps28と結合し、ESCRT-II複合体のリクルートメントをもたらす。^[1]
5. ESCRT-IIのVps25サブユニットはESCRT-III複合体のVps20に結合して活性化する。^{[1] [16] [21]}
6. Vps20はSnf7鎖の形成を核とし、その後Vps24によってキャップされる。^[16]
7. Vps24はVps2をリクルートし、Vps2はVps4を複合体に運びます。^[16]
8. Vps4は2つの六量体リングからなる孔を形成し、その上にVta1が結合する。^[1]このVps4-Vta1複合体はESCRT-IIIの分解を引き起こし、多小胞体形成の終了を示す。^[2]

細胞質分裂中の膜離脱は、2つの娘細胞を結合している膜が細胞分裂中に切断されるプロセスです。膜離脱は多くの古細菌で保存されているため、ESCRT機構の最も初期の役割であると考えられています。^[6]このプロセスは、中心体タンパク質Cep55が、微小管と会合する有糸分裂キネシン様タンパク質であるMKLP1と会合して、分裂細胞の中央体にリクルートされることで始まります。 ^{[6] [23]}次に、Cep55はESCRT-IのVps23サブユニットとアクセサリタンパク質ALIXをリクルートし、中央体の両側にリングを形成します。^{[6] [11] [12]} ESCRT-IとALIXは、Snf7サブユニットを介してESCRT-IIIをリクルートします。^[6] ESCRT-IIIサブユニットVps20、Snf7、Vps24、Vps2、およびDid2は、Vps23によって形成されたリングに隣接してらせん状の原繊維を形成する。^{[1] [12] [19]}このらせん状の構造の形成により膜が変形し、AAA-ATPase スパスチンがDid2とIst1によって取り込まれ、中央体に形成された微小管を切断する。^{[12] [19]}次に、Vps4がESCRT-III複合体の分解を触媒し、2つの新たに分離された娘細胞が生じる。 ^[19]膜離脱のプロセスは後生動物でより広範囲に研究されているため、後生動物タンパク質を使用して説明された。

ウイルス粒子の放出は、ウイルスの出芽としても知られ、宿主細胞のESCRT機構の乗っ取りによって細胞内から遊離したウイルス粒子が放出されるプロセスである。 ^{[1] [14]} HIV-1やヒトTリンパ球向性ウイルスなどのレトロウイルスや、エボラウイルスを含む多くのエンベロープウイルスは、宿主細胞から出るときにESCRT機構を必要とする。^[1]このプロセスは、レトロウイルスコートの主要構造タンパク質であるウイルスGagタンパク質によって開始され、 ESCRT-I複合体のTSG101およびALIXアクセサリタンパク質と相互作用する。^{[12] [13]} ESCRT-IIIサブユニット（必須なのはCHMP4とCHMP2のみ）^[10]は、細胞質分裂中の膜離脱の場合と同様に、ウイルスの出芽部位にリクルートされ、出芽の首を収縮させて切断する。^{[1] [6] [12]} Vps4はESCRT-III成分を細胞質にリサイクルし、ウイルスは細胞から放出されます。^[6]ここで説明したメカニズムは後生動物のタンパク質を利用しており、ウイルスの出芽は後生動物でより広範囲に研究されています。