細胞内輸送

細胞内輸送は、細胞内での小胞や物質の移動です。細胞内輸送は、生理学的シグナルに反応して細胞内の恒常性を維持するために必要です。 ^[1]細胞質で合成されたタンパク質は、特定のアミノ酸の分類配列に従って、それぞれの細胞小器官に分配されます。^[2]真核細胞は、成分のパケットを分子モーターに結合させ、微小管とアクチンフィラメントに沿って運ぶことで、特定の細胞内の場所に輸送します。細胞内輸送は移動のために微小管に大きく依存しているため、細胞骨格の成分は、機械的なサポートを提供することで、細胞小器官と細胞膜の間で小胞を輸送する上で重要な役割を果たします。この経路を通じて、膜結合小胞や細胞小器官、 mRNA、染色体 などの重要な分子の移動を促進することができます。

細胞内輸送は真核細胞に特有であり、それは真核細胞が膜に囲まれた細胞小器官を有し、貨物の交換にはその膜の介在が必要であるからである。^[3]対照的に、原核細胞では、輸送すべき膜状の細胞小器官や区画が存在しないため、この特殊な輸送メカニズムは必要ない。原核生物は、単純な拡散によって物質が細胞内に入ることで生存することができる。細胞内輸送は拡散よりも特殊であり、輸送小胞を利用する多面的なプロセスである。輸送小胞は細胞内の小さな構造で、貨物を保持する脂質二重層に囲まれた液体からなる。これらの小胞は通常、貨物の積載と小胞の出芽、小胞輸送、標的膜への小胞の結合、標的膜への小胞膜の融合を実行する。これらの小胞が正しい方向に進み、細胞をさらに組織化するために、特別なモータータンパク質が貨物で満たされた小胞に付着し、細胞骨格に沿って輸送します。たとえば、モータータンパク質は、リソソーム酵素がゴルジ体に直接転送され、有害な影響につながる可能性のある細胞の他の部分に移動しないようにする必要があります。

膜で囲まれた小さな小胞は、タンパク質をある細胞小器官から別の細胞小器官に輸送する役割を担っており、エンドサイトーシス経路や分泌経路でよく見られます。小胞はドナー細胞小器官から出芽し、特定の標的細胞小器官での融合によって小胞の内容物を放出します。^{[4] : 634}小胞体は、タンパク質が最終目的地に向かうときに通過するチャネルとして機能します。 ^[3]小胞体から出たタンパク質は輸送小胞に分かれ、細胞皮質に沿って特定の目的地に到達します。^[3] ER はタンパク質合成の場所であるため、親細胞小器官として機能し、タンパク質とシグナルが受信されるゴルジ体のシス面が受容体となります。輸送小胞が正確に融合イベントを起こすためには、まず正しい標的膜を認識し、次にその膜と融合する必要があります。

輸送小胞の表面にあるRab タンパク質は、それぞれの細胞小器官の細胞質表面にある相補的な係留タンパク質と整列する役割を果たします。 ^{[3]この融合イベントにより、} SNAREタンパク質などのタンパク質を介して小胞の内容物を送達することができます。SNARE は小さな尾部アンカー型タンパク質で、多くの場合、翻訳後に膜に挿入され、細胞質内の細胞小器官間で小胞を輸送するために必要な融合イベントを担います。SNARES には t-SNARE と v-SNARE の 2 つの形式があり、鍵と鍵穴のように互いにフィットします。t-SNARE は標的細胞小器官の膜に結合することで機能し、v-SNARE は小胞の膜に結合することで機能します。

細胞内輸送は、細胞が栄養素やシグナルを取得する方法の包括的なカテゴリです。 細胞内輸送の非常によく理解されている形態の1つは、エンドサイトーシスとして知られています。 エンドサイトーシスは、細胞膜の陥入による物質の取り込みと定義されます。^[4]より具体的には、真核細胞は、栄養素の取り込み、成長因子受容体のダウンレギュレーション、およびシグナル伝達回路の質量調節剤としてエンドサイトーシスを使用します。 この輸送方法は、細胞が固体粒子を飲み込んでファゴソームと呼ばれる内部小胞を形成する貪食を介した細菌などの大きな粒子の取り込みの代わりに、主に細胞間で行われます。 ただし、これらのプロセスの多くには細胞内要素があります。 貪食は細胞内輸送にとって非常に重要です。なぜなら、物質が有害であると判断されて小胞に飲み込まれると、分解のために適切な場所に輸送されるからです。これらのエンドサイトーシスされた分子は細胞内で初期エンドソームに分類され、ここでこれらの物質がさらに正しい最終目的地に分類されます (分泌経路におけるゴルジ体の役割と同じ)。ここから、初期エンドソームは輸送カスケードを開始し、積み荷は最終的にリソソーム内で加水分解されて分解されます。この能力は、細胞にとって有害または不要な積み荷を分解するために必要であり、これは異物に対する反応としてよく見られます。貪食作用は免疫学的機能を持ち、アポトーシスで役割を果たします。さらに、エンドサイトーシスは、ピノサイトーシスによる液滴の非特異的な内部化や受容体を介したエンドサイトーシスを通じて観察できます。

輸送メカニズムは、移動する物質によって異なります。素早い動きを必要とする細胞内輸送ではアクチン-ミオシンメカニズムが使用されますが、より特殊な機能では輸送に微小管が必要です。^[5] 微小管は、膜​​結合小胞や細胞内器官の細胞内輸送におけるトラックとして機能します。このプロセスは、ダイニンなどのモータータンパク質によって推進されます。モータータンパク質は、輸送小胞を微小管やアクチンフィラメントに接続して、細胞内移動を容易にします。^[1]微小管は、プラス端が細胞の周辺まで伸び、マイナス端が中心体内に固定されるように構成されているため、モータータンパク質のキネシン（プラス端指向）とダイニン（マイナス端指向）を利用して、小胞と細胞内器官を細胞質内を反対方向に輸送します。^[6]各タイプの膜小胞は、尾部ドメイン内での結合を介して、独自のキネシンモータータンパク質に特異的に結合しています。微小管の主な役割の 1 つは、真核細胞の細胞質を通して膜小胞と細胞小器官を輸送することです。細胞内の「微小管が少ない」と考えられる領域は、ミオシンモーター タンパク質の助けを借りて、マイクロフィラメントに沿って輸送されると考えられます。このように、微小管は、後期にダイニン モーター タンパク質を利用して、染色体を紡錘体極へ輸送します。

細胞内輸送の構成要素とメカニズムを理解することで、疾患への影響を見ることができます。欠陥には、輸送キャリアへの貨物の不適切な仕分け、小胞の出芽、細胞骨格の軌道に沿った小胞の移動の問題、および標的膜での融合が含まれます。細胞のライフサイクルは高度に制御された重要なプロセスであるため、いずれかの構成要素がうまくいかないと、有害な影響が生じる可能性があります。細胞が細胞内経路の構成要素を正しく実行できない場合、タンパク質凝集体が形成される可能性が差し迫っています。軸索輸送の欠陥が複数の神経変性疾患の発症に寄与するという概念を支持する証拠が増えています。輸送の欠陥によるタンパク質凝集は、ALS、アルツハイマー病、認知症の発症の主な原因であると提案されています。^[7]

一方、これらのモータータンパク質の細胞内輸送プロセスを標的とすることは、薬物の薬理学的標的化の可能性となります。物質がニューロンや微小管に沿って移動する方法を理解すれば、疾患の特定の経路を標的とすることが可能になります。現在、多くの製薬会社は、細胞内輸送メカニズムの軌跡を利用して、健康な隣接細胞を傷つけずに局所領域や標的細胞に薬物を送達することを目指しています。抗がん剤におけるこのタイプの治療の可能性は、刺激的で有望な研究分野です。