融合メカニズム

融合機構とは、細胞融合またはウイルスと細胞の融合が起こる機構、およびこれらのプロセスを促進する機構のことである。細胞融合とは、2つの別々の細胞からハイブリッド細胞が形成されることである。^{[1] [2]}ウイルスと細胞の融合と細胞と細胞の融合の両方で行われる主な作用は、極性頭部基の脱水、半融合茎の促進、融合細胞間の孔の開放と拡張の3つである。^[3]ウイルスと細胞の融合は、今日の健康上の懸念事項であるいくつかのウイルスの感染中に起こる。これらの中には、HIV、エボラ、インフルエンザなどがある。^[4]たとえば、HIVは免疫系細胞の膜と融合して感染する。HIVが細胞と融合するためには、受容体CD4、CCR5、CXCR4に結合できなければならない。細胞融合は、配偶子や筋芽細胞を含む多数の哺乳類細胞でも起こる。^[5]

ウイルスや細胞膜が融合障壁を乗り越えることを可能にするタンパク質は、融合因子と呼ばれます。ウイルスと細胞の融合メカニズムに関与する融合因子は、これらのタンパク質の中で最初に発見されました。^[6]ウイルス融合タンパク質は、膜融合を起こすために必要です。哺乳類の祖先種は、感染の結果としてこれらの同じタンパク質を自分の細胞に組み込んだ可能性があるという証拠があります。このため、同様のメカニズムと機械が細胞間融合で利用されています。^[7]

低 pH や細胞受容体への結合などの特定の刺激に反応して、これらの融合因子は構造を変化させます。構造変化により、通常は細胞質または細胞外液とのエネルギー的に不利な相互作用により内部に隠れている融合因子の疎水性領域が露出します。これらの疎水性領域は融合ペプチドまたは融合ループとして知られており、局所的な膜不安定性と融合を引き起こす原因となります。科学者は、次の 4 つのクラスの融合因子がウイルスと細胞または細胞と細胞の融合に関与していることを発見しました。^[4]

これらの融合因子は三量体であり、3つのサブユニットで構成されている。融合ループは、融合が起こる前はモノマーの接合部の内部に隠れている。融合が完了すると、融合前の構造とは異なる三量体構造に再折り畳まれる。これらの融合因子は、融合後の構造に6つのαヘリックス群を持つのが特徴である。このクラスの融合因子には、インフルエンザ、HIV、コロナウイルス、エボラウイルスが感染時に利用するタンパク質の一部が含まれている。このクラスの融合因子には、哺乳類の細胞融合に利用されるシンシチンも含まれる。 ^{[8] [4] [9]}

クラス II 融合因子には、複数のβ プリーツシートが含まれています。これらのタンパク質も三量体であり、標的膜への融合ループの挿入に関与しています。それらの構造変化は、酸性環境への曝露によって引き起こされる可能性があります。^{[8] [4]} クラス II 融合因子は、クラス I 融合因子とは異なる構造をしていますが、同様に膜融合のエネルギー障壁を低下させます。クラス I 融合因子は、フラビウイルス(ダニ媒介性脳炎)、 アルファウイルス(セムリキ森林ウイルス、シンドビスウイルス、チクングニア熱、風疹)、フレボウイルス(リフトバレー熱ウイルス、ウークニエミウイルス) に関与しています。^[8]

クラス III 融合因子は、ウイルスと細胞の融合に関与しています。前の 2 つのクラスの融合因子と同様に、これらのタンパク質は三量体です。ただし、α ヘリックスと β プリーツ シートの両方が含まれています。細胞融合中、これらのタンパク質のモノマーは解離しますが、融合が完了すると別の三量体構造に戻ります。また、膜への融合ループの挿入にも関与しています。^[4]

これらのレオウイルスの細胞間融合因子には、細胞融合を誘導できる融合ループが含まれています。これらは高分子構造を形成し、膜の融合を誘導します。レオウイルス自体は膜を持っていないため、クラスIV融合因子は通常、従来のウイルス-細胞融合には関与しません。しかし、細胞表面で発現すると、細胞-細胞融合を誘導することができます。^[4]

クラス I～III の融合因子には多くの構造上の違いがある。しかし、膜融合を誘導するために利用する方法のメカニズムは類似している。活性化されると、これらの融合因子はすべて細長い三量体構造を形成し、融合ペプチドを標的細胞の膜に埋め込む。それらは疎水性膜貫通領域によってウイルス膜に固定される。これらの融合因子はその後、ヘアピンを思わせる構造を形成して折り畳まれる。^[4]この折り畳み作用により、膜貫通領域と融合ループが互いに隣接する。その結果、ウイルス膜と標的細胞膜も引き寄せられる。^[6]膜が近づくと脱水され、膜が接触するようになる。^[3]疎水性アミノ酸残基と隣接する膜との相互作用により、膜が不安定になる。これにより、各膜の外層のリン脂質が相互作用するようになる。 2つの膜の外側の小葉は、疎水性リン脂質の尾部と環境との間のエネルギー的に不利な相互作用を最小限に抑えるために、半融合茎を形成します。この茎が拡張し、各膜の内側の小葉が相互作用できるようになります。これらの内側の小葉は次に融合し、融合孔を形成します。この時点で、細胞とウイルスの細胞質成分が混ざり始めます。融合孔が拡張すると、ウイルスと細胞の融合が完了します。^[6]

哺乳類細胞間の融合にはさまざまなバリエーションがありますが、これらの融合イベントの大部分では、「融合可能な状態のプログラミング、走化性、膜接着、膜融合、融合後のリセット」という5つの段階が発生します。^[5]

この最初のステップはプライミングとも呼ばれ、細胞が融合する能力を獲得するために必要なイベントを網羅しています。細胞が融合能力を持つようになるには、膜融合を促進するために膜の構成を操作する必要があります。また、融合を仲介するために必要なタンパク質を構築する必要があります。最後に、融合の障害を排除する必要があります。たとえば、細胞は、融合を促進するために細胞の動きを高めるために、細胞外マトリックスから自分自身を解放する場合があります。 ^[5]

単球とマクロファージは、タンパク質シグナル分子であるサイトカインに反応して融合能を持つようになる。インターロイキンの中には、体の免疫反応の一環として単球とマクロファージが融合して異物巨細胞を形成するように促すものがある。例えば、インターロイキン4はリン酸化によって転写因子STAT6の活性化を促進することができる。これにより、マトリックスメタロプロテアーゼ9（MMP9）の発現が誘発される可能性がある。^[5] MMP9は細胞外マトリックス中のタンパク質を分解することができ、マクロファージの融合の準備を助ける。^[7]

破骨細胞は多核の骨吸収細胞である。破骨細胞は異物巨細胞と同様に、分化した単球の融合によって形成される。しかし、破骨細胞になる運命にあるマクロファージの融合能を誘導する分子は、異物巨細胞の形成を促進する分子とは異なる。例えば、転写因子NFATC1は破骨細胞の分化に特異的な遺伝子を制御する。^[5]

受精卵の形成は有性生殖の重要なステップであり、精子と卵子の融合に依存しています。したがって、これらの細胞は融合能力を獲得するために準備される必要があります。 ホスファチジルセリンは、通常、細胞膜の内層に存在するリン脂質です。精子細胞が準備されると、ホスファチジルセリンは膜の外側の小葉に見つかります。これは精子の頭部の膜を安定させるのに役立ち、精子が卵子細胞を覆う透明帯に入るのを可能にする役割を果たしていると考えられています。ホスファチジルセリンのこの珍しい位置は、細胞融合の準備中に膜が再構築される例です。^[5]

走化性は、特定のシグナル分子の存在に反応して動員されるプロセスです。融合する運命にある細胞は、走化性を介して互いに引き寄せられます。たとえば、精子細胞はプロゲステロンによるシグナル伝達を介して卵子細胞に引き寄せられます。^[5]同様に、筋肉組織では、筋芽細胞はIL-4によって融合のために動員されます。^[7]

細胞が融合する前に、細胞は互いに接触していなければなりません。これは、細胞機構による細胞認識と接着によって達成されます。^[5] シンシチン-1は、ヒトの破骨細胞を形成する細胞融合に関与するクラス I 融合因子です。^[10]細胞融合におけるクラス I 融合因子の初期作用では、融合ループが標的膜に挿入されます。したがって、シンシチン-1 の作用は、2 つの細胞を結合させて融合の準備をするため、膜接着の一例です。^[6]このステップには、融合部位の膜の脱水も含まれます。これは、融合に必要なエネルギー要件を克服し、融合が起こるために膜が非常に近接していることを保証するために必要です。^[3]

膜融合は、融合孔の形成を特徴とし、これにより両細胞の内部内容物が混合される。^[5]これは、まず融合する膜の外層の脂質が混合され、半融合茎を形成することによって達成される。^[6]次に、内側の小葉が相互作用して融合し、膜が融合した部分に開いた隙間ができる。この隙間が融合孔である。このプロセスは、融合因子によって媒介される。^[5]融合因子は哺乳類で高度に保存されており、哺乳類はレトロウイルスの感染後に融合因子を採用したと理論づけられている。^[7]融合因子は高度に保存されているため、前述のウイルス融合因子が使用するメカニズムと同様のメカニズムで機能を果たす。^[6]アクチン重合や細胞骨格の他の作用が融合孔を広げて融合を完了させるのに役立つと理論づけられている。^[5]

融合が完了すると、融合に使用された機構は、新しい多核細胞が他の細胞と融合するのを避けるために、分解または変更される必要がある。^[5]その一例は、クラス I、II、III の融合因子が最終的に取る三量体構造である。これらはそれぞれ、融合が起こる前の形とは著しく異なる構造を取る。^[4]これにより、それらの活性が変化し、別の融合を開始できなくなる可能性がある。^{[引用が必要]}

• 細胞間融合因子
• 多核細胞