細胞間コミュニケーション

細胞間コミュニケーション(ICC) とは、生物細胞が直接または環境を通じて互いにコミュニケーションをとるために使用するさまざまな方法と構造を指します。環境は、動物の細胞外空間であると考えられることがよくあります。より広義には、細胞は、同じグループまたは種の他の動物、またはより広い生態系内の他の種と通信することもあります。異なるタイプの細胞は、異なるタンパク質とメカニズムを使用して、細胞外シグナル伝達分子または電気変動を使用して互いに通信します。これは、細胞間イーサネットに例えることができます。^[2]各タイプの細胞間コミュニケーションのコンポーネントは、複数のタイプのコミュニケーションに関与している可能性があり、^[2]記載されているコミュニケーションのタイプを明確に区別する試みは、いくぶん無駄です。大まかに言えば、細胞間コミュニケーションは、単一の動物内、または動物とその動物が生息する生態系内の他の動物との間で行われるものとして分類できます。この記事では、細胞間コミュニケーションは、機能的または構造的特徴ではなく、さらにさまざまな研究分野にまとめられています。

単細胞生物は、餌を探すために周囲の環境を感知し、共生や繁殖の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、組織化された単一細胞の集合体から単純な生物が形成されることを示しています。^[3]細胞シグナル伝達の研究では、各シグナルに特有の受容体、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、その強度です。多細胞動物や植物がより複雑になるにつれ、化学勾配を使用して細胞の成長と分化を調整することが重要であり続けています。生物内のこの種の細胞間コミュニケーションは、一般に細胞シグナル伝達と呼ばれています。このタイプの細胞間コミュニケーションは、細胞の周り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]シグナル応答の一部を形成する拡散勾配に依存することがよくあります。

複雑な生物は、細胞同士をつなぎとめる分子を持っていることがあり、それが細胞間コミュニケーションにも関与していることがあります。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、植物の細胞壁のセルロースや動物のコラーゲンのような長い分子が関与していることがあります。2つの動物細胞の膜が接近すると、特殊なタイプの細胞接合部が形成されることがあり、これには閉塞接合部（タイトジャンクションや隔壁接合部など）、アンカー接合部（接着接合部、デスモソーム、接着斑、ヘミデスモソームなど）、およびコミュニケーション接合部（ギャップジャンクションなど）の3つの大まかなタイプがあります。^[6]それらが形成する構造は、複雑なタンパク質シグナル伝達経路の一部も形成します。^[7]ある意味では、タイトジャンクションは細胞の周りにタイトなジッパーを形成し、小さくて不要なシグナル分子でさえ細胞間に入り込まないようバリアを形成するという点で、細胞シグナル伝達において一般的な役割を果たしています。^[8]これらの結合がなければ、シグナル分子はシグナルを必要としない別の細胞群に広がったり、必要な場所から逃げすぎたりする可能性がある。ギャップ結合により、隣接する細胞は小分子を直接交換することができる。^[9]

パネキシン、コネキシン、イネキシンは膜貫通タンパク質で、すべてラテン語の「nexus（接続する）」にちなんで名付けられています。これらはすべて、4つの膜貫通ドメインが同じように細胞膜を横切る構造を共有しているためグループ分けされていますが、直接関連していると見なせるほどの配列相同性はすべて共有していません。 ^{[2] [10]}コネキシンに関する以前の調査では、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したが、細胞外部との接続は示されていませんでした。そのため、当時は細胞外細胞シグナル伝達に関与しているとは考えられていませんでした。その後の研究で、コネキシンが細胞外部に直接接続できることが明らかになりました。つまり、細胞外部の環境からシグナル分子を放出および取り込むための導管であるということです。^[11]さらに、パネキシンはこれを非常にうまく行うため、直接的な細胞間カップリングに関与することはほとんどないと考えられます。^[12]図示したパンネキシン/イネキシン/コネキシン系統樹に示されているように、多くの動物はパンネキシン/イネキシン/コネキシンを持っていないようです。これは、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同様の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可能性があります。^[2]

真菌では、細胞壁を横切って細胞区画を隔てる細孔が、分子を隣接する区画に移動させるためのICCとして機能します。^[13]

ほとんどの紅藻類は、細胞隔壁に孔があり、細胞/フィラメントを仕切っている。これはピットコネクションと呼ばれる。有糸分裂の名残で、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コネクションがあり、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、厚い細胞壁を持っており、隣接する細胞が直接通信するには、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パイプを形成し、ICCを形成します。このパイプには、デスモチューブルと呼ばれる管を介して2つの細胞の小胞体を接続する、同心円状の別の小さな膜状パイプがあります。大きなパイプには、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、細胞壁を通過する経路として原形質連絡を使用していると推定されています。^[16]

ギャップ結合は細胞間リンクを形成でき、これは事実上、結合を形成する 2 つの細胞の細胞質間のコネクソン ペアと呼ばれる小さな直接制御された「パイプ」です。6 つのコネキシンがコネクソンを形成し、2 つのコネクソンがコネクソン ペアを形成するため、12 個のコネキシン タンパク質が各小さな ICC を構築します。この ICC により、2 つの細胞は外界から遮断された状態で直接通信できます。 ^[17]細胞は、他の隣接細胞との間に 1 つまたは複数の小さな ICC を形成し、直接リンクされた細胞の大規模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 ICC を形成し、水、最大約 1000 原子の大きさのその他の多くの分子を輸送でき^[18]、必要に応じて非常に迅速にオン/オフにすることができます。これらの ICC は、迅速にオン/オフできる電気信号も通信しています。多用途性に加えて、ICC には 20 種類以上の異なるコネキシンがあり、それぞれ異なる特性を持ち、さまざまな方法で互いに組み合わせることができるため、さまざまなタイプがあります。その結果、シグナル伝達の組み合わせの可能性は膨大です。ギャップ結合の電気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鼓動を調整する働きをします。多用途性をさらに高めるギャップ結合は、他の場所で説明されているタンパク質のいとこ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ように機能することもできます。

細胞間ブリッジはギャップ結合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つの細胞間で維持され、細胞質の内容物を交換できるようにし、細胞が繁殖しているときなど、密接なコミュニケーションを必要とするときに頻繁に観察されます。これらは、DNAを交換する原核生物、 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 、生殖細胞の発生と卵子形成を同期させる精細胞形成を含む減数分裂中に大型生物に見られます。次の図に示すように、ブリッジは細胞の移動を助けることが示されている。^{[24]細胞質ブリッジは、} Vampirococcusの場合のように別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、さまざまな程度に融合して1つの大きな細胞またはシンシチウムを形成することがあります。これは、骨格筋の発達中に広範囲に起こり、大きな筋線維を形成します。後に、眼の水晶体などの他の組織でも確認されました。どちらも細胞線維が関与していますが、眼の水晶体の場合、細胞融合の範囲はより限定されており、それほど広範囲に融合していない重層シンシチウムになります。^[25]

細胞の内外には、さまざまなサイズの脂質膜結合小胞があり、食物から侵入生物、水からシグナル伝達分子まで、多種多様なものを含んでいます。神経筋接合部のニューロンからの電気神経インパルスを使用して筋肉を収縮させるのは、非常に小さい^[26] （約0.05μm）小胞が細胞間コミュニケーションの調節に直接関与している例です。ニューロンは数千の小さな小胞を生成し、各小胞には数千のシグナル伝達分子が含まれています。安静時には、約1秒ごとに1つの小胞が筋肉の近くに放出されます。神経インパルスによって活性化されると、100を超える小胞、数十万のシグナル伝達分子が一度に放出され、筋繊維が大幅に収縮します。これはすべて、ほんの一瞬のうちに起こります。

一般的に細胞から放出されるシグナル分子を輸送するために使用される小さな小胞はエクソソーム^{[27] [28] [29]}または単に細胞外小胞（EV）^[30]と呼ばれ、生物にとっての重要性に加えてバイオセンサーにとっても重要です。^[26]細胞外小胞は悪性癌細胞から放出される可能性があります。これらの細胞外小胞には、悪性細胞で過剰発現しているギャップ結合タンパク質が含まれており、それが非癌細胞に広がり、悪性腫瘍の拡散を促進することが示されています。^[31]小胞はまた、細胞外マトリックス内の組織の成長と修復を可能にするために、細胞外の物質の輸送に関連しています。^{[32] [33]}このような状況では、マトリックス小胞（MV）などの特別な名称が付けられることがあります。

より大きな小胞の例としては、内分泌組織、外分泌組織の調節分泌経路、^[34] トランスサイトーシス^{[35] [36]}、内皮細胞およびおそらく他の細胞型の小胞液胞器官（VVO） ^[37]などがあります。膜片を接合部周辺に移動する別の形態は、トランスエンドサイトーシスと呼ばれます。^[38]一部の大きな細胞間小胞は、その内容物を組織のある部分から別の部分へ輸送し、ギャップ結合プラークに関与しているときに、そのままの状態を保つようです。^[39]

細胞間コミュニケーションについて考えるとき、私たちはしばしば神経系を基準点として使います。脊椎動物の多くの細胞から構成される神経は、通常、形態と機能が高度に特殊化しており、脳の中で最も複雑です。神経は、たとえば脳から手までなど、長距離にわたる細胞間の迅速で正確な方向性のあるコミュニケーションを保証します。神経細胞は、互いにコミュニケーションするというよりも、むしろ隣接する細胞から別の細胞にメッセージを渡す仲介者と考えることができます。メッセージを渡す「補助」細胞であるため、追加のスペースが必要となり、生物内で多くのエネルギーを消費する可能性があります。^[40]

海綿動物や板状動物のような単純な生物は、食料の入手性が低いことが多く、エネルギーの余裕も少ない。神経系はそれほど特殊化されておらず、神経系を構成する細胞は他の機能も果たす必要がある。^[41]

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発生す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、この形式のコミュニケーションに特定の構造または「エファプセ」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]これまでのところ、エファプティック結合がクテノフォアの極体などの最も単純な神経系について、より複雑な行動のいくつかを説明できるかどうかを調べる研究はありません。^[41]

生物学的コミュニケーションの定義は単純ではない。^[44]細胞生物学の分野では、初期の研究は細胞から生物へのレベルで行われていた。ある生物の個々の細胞が他の生物の細胞にどのように影響を与えるかは追跡が難しく、主要な関心事ではなかった。細胞間コミュニケーションが、ある細胞が別の細胞に信号を送信して応答を引き出すことを含む場合、細胞間コミュニケーションは単一の生物内の細胞に限定されない。短距離では、植物界間のコミュニケーションが報告されている。^[13]水中生殖では、産卵と呼ばれる配偶子の大規模な同期放出がしばしば含まれる。^[45]長距離では、1つの植物の細胞が同じ種や他の種の別の植物の細胞と、緑の葉の揮発性物質などの信号を空気中に放出することでコミュニケーションする。この信号は、とりわけ、草食動物が近隣にいることを事前に警告したり、エチレンガスの場合は、信号が果物の熟成を促したりすることができる。植物の細胞間シグナル伝達は、地下でも菌根ネットワークによって起こり、菌類ネットワークを介して植物の広い領域を結び付けて環境資源の再分配を可能にする。

ミツバチやアリなどの昆虫のコロニーを観察すると、ある生物の細胞から別の生物の細胞に放出されるフェロモン^{[46] が、}粘菌を彷彿とさせる方法でコロニーを調整できることが分かりました。「フェロモン」を使用した細胞間シグナル伝達は、より複雑な動物でも確認されています。複雑さが増すにつれて、シグナルの効果も大きくなります。脊椎動物などのより複雑な動物の「フェロモン」は、現在ではより正確には「化学シグナル」^{[47] [48] [49]}と呼ばれており、種間も例外ではありません。^[50]

細胞間コミュニケーションが、生物内の細胞間だけでなく、異なる生物、さらには獲物間の細胞間でも非常に類似しているという考えは、ビネキシンによって実証されています。^[51]このタンパク質は、イモムシに見られるイネキシンタンパク質の改変型です。つまり、ビネキシンはイモムシ自身のイネキシンに非常に類似しており、不明な何らかの方法で非ウイルス性イネキシンから派生したに違いありません。イモムシのイネキシンは、寄生蜂によって移植された卵に対するイモムシの免疫反応の一環として、イモムシの体内で通常の細胞間結合を形成します。イネキシンは、蜂の卵が中和され、イモムシが寄生虫から守られるようにするのに役立ちます。では、ビネキシンはどのような働きをどのようにするのでしょうか。進化によって、蜂の抗ウイルス反応を回避する方法で蜂とコミュニケーションするウイルスが生まれ、その結果、ウイルスは蜂の卵巣で生存し、複製できるようになりました。スズメバチが卵をイモムシの宿主に注入すると、スズメバチの卵巣からの多くのウイルスも注入されます。ウイルス粒子はイモムシの細胞内では複製されませんが、イモムシの遺伝子機構と通信してビネキシン タンパク質を生成します。ビネキシン タンパク質はイモムシの細胞に組み込まれ、イモムシ内の通信を変更するため、イモムシは生き続けますが、免疫応答が変化します。ビネキシンは、通常のイネキシンと混ざってイモムシ内の通信を変更でき、おそらく実際にそうしています。イモムシ内の変更された通信により、イモムシの防御がスズメバチの卵を拒絶するのを防ぎます。その結果、スズメバチの卵が孵化し、イモムシとスズメバチの幼虫の母親からのウイルスを消費し、サイクルを繰り返すことになります。ウイルスとスズメバチは互いに不可欠であり、ウイルスが生存して複製できるように互いに通信していることがわかりますが、スズメバチの卵巣内では非破壊的な方法でのみ行われます。ウイルスはスズメバチによってイモムシに注入されますが、ウイルスはイモムシの中で複製されるのではなく、イモムシとコミュニケーションをとり、致命的ではない方法でウイルスを改変するだけです。その後、スズメバチの幼虫は、ウイルスが再び複製できる場所をスズメバチの卵巣内に確保するために、再びウイルスとコミュニケーションをとりながら、止まることなくゆっくりとイモムシを食べます。コネキシン/イネキシン/ビネキシンは、かつてはシグナル伝達分子または電気信号の経路を提供する役割しか果たさないと考えられていましたが、現在ではそれ自体がシグナル伝達分子として機能することが示されています。