細胞間コミュニケーション

単細胞生物は環境を感知して食物を探し、共生したり繁殖したりするために他の細胞に信号を送ることがあります。その典型的な例が粘菌です。粘菌は、小さな分子（例えば環状AMP）による細胞間コミュニケーションによって、組織化された単細胞の集合体から単純な生物が形成される様子を示しています。^{[ 3 ]}細胞シグナル伝達の研究では、各シグナルに特異的な受容体、または単一のシグナルによって活性化される可能性のある複数の受容体が調査されました。 ^{[ 4 ]}重要なのは、シグナルの有無だけでなく、その強度もです。化学勾配を利用して細胞の成長と分化を調整することは、多細胞動物や植物がより複雑になるにつれて、引き続き重要になります。生物内のこの種の細胞間コミュニケーションは、一般的に細胞シグナル伝達と呼ばれています。この種の細胞間コミュニケーションは、細胞周辺の空間を拡散する小さなシグナル分子によって特徴付けられ、^{[ 5 ]}多くの場合、シグナル応答の一部を形成する拡散勾配に依存しています。

複雑な生物は、細胞を結合させる分子を持っている場合があり、これらの分子は細胞間コミュニケーションにも関与している可能性があります。結合分子の中には細胞外マトリックスと呼ばれるものがあり、植物の細胞壁を構成するセルロースや動物のコラーゲンのような長い分子が含まれる場合があります。2つの動物細胞の膜が接近すると、特殊なタイプの細胞結合が形成されることがあり、これは大きく 3 つのタイプに分けられます。閉塞結合 (タイトジャンクションやセプタートジャンクションなど)、アンカー結合 (アドヘレンスジャンクション、デスモソーム、焦点接着、ヘミデスモソームなど)、およびコミュニケーション結合 (ギャップジャンクションなど) です。^{[ 6 ]}これらの結合によって形成される構造は、複雑なタンパク質シグナル伝達経路の一部にもなります。^{[ 7 ]}ある意味では、タイトジャンクションは細胞シグナル伝達において一般的な役割を果たしており、細胞をしっかりと囲むジッパーを形成し、小さな不要なシグナル伝達分子が細胞間に入るのを阻止する障壁を形成します。^{[ 8 ]}これらの接合部がないと、シグナル分子がシグナルを必要としない別の細胞群に拡散したり、必要な場所からすぐに逃げ出したりする可能性があります。ギャップ接合部により、隣接する細胞間で小さな分子を直接交換することができます。^{[ 9 ]}

パネキシン、コネキシン、イネキシンは、いずれもラテン語の「nexus」（接続する）にちなんで名付けられた膜貫通タンパク質です。これらはすべて、細胞膜を同様の方法で横断する4つの膜貫通ドメインという類似の構造を共有しているためグループ化されていますが、直接関連していると考えられるほど十分な配列相同性を共有しているわけではありません。 ^{[ 2 ] [ 10 ]}コネキシンに関する初期の研究では、細胞はコネキシンのグループを使用して互いに直接接続を形成しますが、細胞外との接続は形成しないことが示されました。そのため、当時は細胞外シグナル伝達に関与していないと考えられていました。後の研究により、コネキシンは細胞外に直接接続できることが明らかになり、細胞外環境からのシグナル伝達分子の放出と取り込みの導管であることがわかりました。^{[ 11 ]}さらに、パネキシンはこれを非常に大きく行うため、直接的な細胞間結合に関与することはほとんどないと考えられます。^{[ 12 ]}図示されたパネキシン/イネキシン/コネキシン系統樹に示されているように、多くの動物はパネキシン/イネキシン/コネキシンを持っていないようで、これらの動物の細胞間コミュニケーションを助ける他の類似タンパク質がまだ発見されていない可能性があることを示しているのかもしれません。^{[ 2 ]}

真菌では、細胞壁を貫通して細胞区画を隔てる孔が、分子が隣接する区画へ移動するためのICCとして機能する。^{[ 13 ]}

ほとんどの紅藻類は、細胞/フィラメントを隔てる細胞隔壁にピットコネクションと呼ばれる孔を持っている可能性がある。有糸分裂の残骸として、細胞によって塞がれることがある。また、隣接する細胞/フィラメント間にも同様のつながりがあり、栄養素の共有を可能にしている可能性がある。^{[ 14 ]}異なる種の細胞が宿主藻類とピットコネクションを開始して形成することがある。^{[ 15 ]}

植物細胞は通常、厚い細胞壁を持ち、隣接する細胞が直接コミュニケーションをとるには、この細胞壁を越える必要があります。原形質連絡は細胞壁を貫通する管を形成し、ICCを形成します。この管には、デスモチューブと呼ばれる管を介して2つの細胞の小胞体をつなぐ、同心円状のより小さな膜状の管があります。より大きな管には、細胞骨格やその他の要素も含まれています。ウイルスは、植物全体に広がるために、細胞壁を貫通する経路として原形質連絡を利用していると考えられています。^{[ 16 ]}

ギャップ結合は細胞間リンクを形成することができ、これは実質的に、結合を形成する 2 つの細胞の細胞質間にコネクソンペアと呼ばれる小さな直接制御された「パイプ」を形成します。 6 つのコネキシンがコネクソンを構成し、2 つのコネクソンがコネクソン ペアを構成するため、12 個のコネキシン タンパク質が各小さな ICC を構成します。この ICC により、2 つの細胞は外部から遮断された状態で直接通信することができます。^{[ 17 ]}細胞は、自身と他の隣接細胞との間に、このような小さな ICC を 1 つまたは数千個形成し、直接リンクされた細胞の大きなネットワークを形成する可能性があります。コネクソン ペアは、水や、約 1000 個の原子までの大きさの他の多くの分子を輸送できる ICC を形成し^、必要に応じてオンとオフを非常に迅速に切り替えることができます。これらの ICC は、迅速にオンとオフを切り替えることができる電気信号も伝達します。ギャップ結合の多様性をさらに高めるために、20種類以上の異なる特性を持つコネキシンがさまざまな方法で互いに結合できるため、これらのICCタイプにはさまざまな種類があります。結果として生じる潜在的なシグナル伝達の組み合わせの多様性は膨大です。ギャップ結合の電気的シグナル伝達能力のよく研究されている例は、神経にある電気シナプスです。 ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}心筋では、ギャップ結合は心臓の拍動を調整する機能を果たします。ギャップ結合の多様性をさらに高めるために、ギャップ結合は、他の場所で説明されているタンパク質の仲間であるパネキシンの機能と並行して、細胞の外部に直接接続を形成する機能も果たすことができます。

細胞間橋はギャップ結合ICCよりも大きいため、小さなシグナル分子だけでなく大きなDNA分子や細胞小器官全体の移動も可能にします。これらは2つの細胞の間に維持され、細胞質内容物の交換を可能にし、細胞が生殖するときなど密接なコミュニケーションを必要とするときによく観察されます。これらは、DNA交換のための原核生物、 Pinnularia、Valonia ventricosa、Volvox、C. elegans ^{[ 22 ]}などの小型生物、一般的な有糸分裂（細胞質分裂）^{[ 23 ]} 、有性生殖のためのBlepharisma 、および生殖細胞の発達と卵形成を同期させるための精子形成を含む減数分裂中に大型生物で見られます。橋は、隣の図に示すように、細胞移動を助けることが示されています。 ^{[ 24 ]}細胞質橋は、 Vampirococcusの場合のように、他の細胞を攻撃するためにも使用できます。

より永続的で広範な細胞質結合を必要とする細胞は、多くの場合、さまざまな程度で互いに融合し、1つの大きな細胞または合胞体を形成する。これは、大きな筋線維を形成する骨格筋の発達中に広く起こる。後に、眼の水晶体などの他の組織でも確認された。どちらも細胞線維が関与しているが、眼の水晶体の場合、細胞融合の範囲はより限定的で、融合の程度が小さい層状合胞体となる。^{[ 25 ]}

神経細胞のグループが形成されると、エファプティック結合と呼ばれる別のタイプの細胞間コミュニケーションが生じる可能性があります。これは1940年にカッツによって初めて定量化されました^{[ 42 ]}が、このコミュニケーションの形式と特定の構造または「エファプス」を関連付けることは困難でした。エファプティック結合を示す特定の神経細胞グループを脳の特定の機能と関連付けようとする還元主義的な試みがあります^{[ 43 ]} 。今のところ、有櫛動物の極体のような最も単純な神経系について、エファプティック結合がそれらのより複雑な行動の一部を説明できるかどうかを調べる研究はありません^{[ 41 ] 。}