JUNQとIPOD

JUNQ と IPOD は、真核生物の細胞質 タンパク質 封入体の一種です。

パーキンソン病、アルツハイマー病、ハンチントン病などの神経変性疾患は、タンパク質の凝集および封入体への誤って折り畳まれたタンパク質の蓄積と関連し、相関しています。長年、タンパク質の凝集は、誤って折り畳まれたタンパク質が互いにくっついて封入体を形成するランダムなプロセスであると考えられていました^[1]（部屋の隅に髪の毛の束が無造作に積み重なっているのを想像してください）。さらに、タンパク質凝集体は有毒物質であり、ニューロンの機能不全や死の原因であると考えられていました。しかし、高度な方法（蛍光顕微鏡法など）を使用した最近の研究では、タンパク質の凝集は実際には厳密に制御された組織化されたプロセスであり、細胞が封入体に隔離することで有毒タンパク質から自身を保護する可能性があることが示されています。^[2] 2008年、フリードマン研究室のダニエル・カガノビッチは、真核細胞が適切に管理された細胞プロセスによって誤って折り畳まれたタンパク質を2つの異なる封入体に分類することを示した。 ^[3]

1. JUNQ (JUxta 原子力品質管理コンパートメント)
2. IPOD （不溶性タンパク質沈着物）

JUNQとIPODは進化的に保存されており、特定の細胞部位に存在します。誤って折り畳まれた凝集タンパク質をJUNQとIPODに送達するには、完全な細胞骨格と、熱ショックタンパク質（HSP）などの特定の細胞品質管理成分が必要です。^[4] 2つの異なる封入体への分割は、異なる種類の誤って折り畳まれたタンパク質（例：ユビキチン化タンパク質と非ユビキチン化タンパク質）の異なる取り扱いと処理によるものです。毒性タンパク質凝集体がJUNQとIPOD封入体に分離することは、哺乳類細胞を非対称分裂によって若返らせる手段です。^[5]

このように、JUNQ と IPOD の発見は、細胞が誤って折り畳まれた凝集タンパク質を管理する方法についての新たな驚くべき視点を提供し、タンパク質凝集がランダムではなく、よく調整され、制御された細胞プロセスであるという説得力のある証拠を与えました。さらに、JUNQ と IPOD の発見は、時間的な品質管理 (つまり、損傷したタンパク質の時間依存的な管理) に加えて、細胞が恒常性を空間的に利用していることを示唆しました。 ^{[6]分解が利用できない場合、}誤って折り畳まれたタンパク質から細胞環境を保​​護するには、凝集体封入体に隔離します。^[要出典]

適切に機能するために、ほとんどのタンパク質は、天然状態と呼ばれる低エネルギーの3次元構造を維持する必要があります。タンパク質の安定性は、リボソームで合成されるゆりかごから、折り畳みまたは組み立てを経て、タンパク質が分解され細胞環境から除去される墓場まで、そのすべてのライフステージを通じて厳密に制御されています。^[7]タンパク質の恒常性（プロテオスタシス）^[8]は、細胞品質管理システムのさまざまな部門、つまり分子シャペロン、プロテアーゼ、およびその他の調節因子の協調的な作用によって生じます。したがって、細胞の生存能力は、誤って折り畳まれたタンパク質を適時に効率的に管理することに依存しています。品質管理機構によるこのような管理には、シャペロンとE3リガーゼによる誤って折り畳まれたタンパク質の認識、ユビキチン化、および分解が含まれます。^[要出典]

損傷、ストレス、突然変異、老化によるタンパク質恒常性の崩壊は、神経変性疾患など、一般的なヒト疾患の多くに関係していると考えられている。^{[9]こうした疾患は、異なる種類の変異タンパク質（例：}ハンチントン病– タンパク質ハンチンチン）によって引き起こされ、異なる組織（例：ハンチントン病–線条体）を破壊するが、封入体における誤って折り畳まれたタンパク質の蓄積という共通の特徴がある。したがって、封入体がこうした疾患の原因であると考えられていた。しかし、これらの細胞内封入体の性質と特徴は不明のままであった。異なる種類のタンパク質（例：プリオン、ERAD 基質）が異なる種類の封入体（例：アグリソーム、アミロイド）を形成することが報告されているが、それらの観察結果が1つに組み合わされ、同じ細胞内部位に関連しているかどうかは不明のままであった。さらに、封入体形成に至る経路と細胞タンパク質品質管理機構の関与は未定義で不明であった。そのため、タンパク質凝集体と封入体に関する包括的な理解を提供する体系的な研究が必要であった。JUNQとIPOD ^[3]の発見は、細胞がさまざまな種類の誤って折り畳まれたタンパク質をどのように管理するかについての新たな洞察を示唆し、タンパク質凝集の大きな謎を解くための新しい枠組みを提供した。^[2]

誤って折り畳まれたタンパク質の運命と凝集体の形成に至るプロセスは、当初は生化学的手法（例：ウエスタンブロッティング）を使用して研究されました。^[要出典]

タンパク質の品質管理と凝集の生物学的プロセスに関するより深い洞察は、「生細胞イメージング」と呼ばれるこの問題を調べるための新しいアプローチによって可能になりました。^[10]

生細胞イメージングにより、タンパク質を自然な内因性環境下で、空間と時間内で生体内で追跡できます。したがって、このような方法により、生物学的イベントとプロセスのダイナミクスと段階に関する詳細な情報が得られます。この方法では、目的のタンパク質に融合された検出しやすい蛍光タンパク質を利用します。このタンパク質は、蛍光顕微鏡を使用して細胞内で追跡できます。次に、細胞を目的の摂動（薬物、誤って折り畳まれたタンパク質の発現など）で処理し、タイムラプス顕微鏡を使用して蛍光タグ付きタンパク質のさまざまな特性を分析できます。

1. 蛍光レベルの変化は発現レベルの変化を示します（つまり、レベルが高いほどタンパク質の発現が上昇します）。
2. 局在の変化（例：タンパク質の細胞質から核への進入）
3. 溶解度（例えばFRAPアッセイ^[11]を使用）
4. 細胞内環境との相互作用（例えばFLIPアッセイ^[11]の使用）

細胞質 ミスフォールドタンパク質の運命を 生体内でモニターするために、GFPタグ付きフォールディングレポーターを運ぶプラスミドがクローン化された。凝集のモデルタンパク質であるフォールディングレポーターは、温度感受性（ts）表現型を持つミスセンス変異（Y68L ）を持つUbc9 （SUMO結合酵素）変異体（UBC9ts）であった。 ^{[12] [13]}わずかに安定しているUbc9tsは、活性細胞シャペロンにより、生理学的許容条件（25℃）下で完全に機能する。GFP-Ubc9tsは酵母に形質転換され、蛍光顕微鏡を使用して視覚化された。^[要出典]

折り畳みセンサー GFP-Ubc9ts をモニタリングすることは、細胞のタンパク質恒常性を示し、さまざまな種類のストレスに対処する細胞タンパク質品質管理システムの能力を評価すると考えられていました。その後、通常の条件下では、GFP-Ubc9ts は核と細胞質に拡散していることが観察されました。しかし、熱ショックにより、GFP-Ubc9ts は細胞質の点状構造を形成しました。驚くべきことに、プロテアソームが損傷し、分解によるミスフォールドタンパク質の除去がブロックされると、2 つの異なる細胞質封入体が形成されることが観察されました。細胞分画やウェスタンブロッティングなどの標準的で保守的な生化学的方法では、2 種類の細胞質凝集体への分割は明らかにされなかったでしょう。^{[引用が必要]}

検出された2つの封入体は、進化的に保存された 品質管理区画であり、異なる特徴と異なる機能を持つことが示されました。これらはJUNQ（JUxta核品質管理区画）とIPOD（不溶性タンパク質沈着物）と名付けられ、^[3]凝集しやすい潜在的に有毒なタンパク質を隔離および管理するための2つの細胞経路を表しています。^{[引用が必要]}

品質管理基質（ミスフォールドタンパク質）がどちらの区画に分配されるかは、そのユビキチン化状態と凝集状態（溶解度）に依存する。^{[引用が必要]}

ユビキチン化されたタンパク質は JUNQ に送られ、そこでプロテアソームによって分解されます。ユビキチン化されずに末端が凝集した誤って折り畳まれたタンパク質は IPOD に隔離されます。

したがって、誤って折り畳まれたタンパク質の細胞内位置（つまり、JUNQ 内または IPOD 内）は、細胞タンパク質品質管理機構（たとえば、E3 リガーゼ）との相互作用に関する情報を提供します。

JUNQ はJU xta核品質管理コンパートメント です。

細胞の恒常性を維持するために、細胞の品質管理システムは、折り畳まれたタンパク質と誤って折り畳まれたタンパク質を区別する必要があります。誤って折り畳まれたタンパク質は認識され、再折り畳みまたはユビキチン化とプロテアソーム分解によって厳重に処理されます。

しかし、様々なストレス（例えば熱ショック）により細胞内のミスフォールドタンパク質負荷が増加すると、品質管理機構が飽和し、消耗する可能性があります。このような場合、ミスフォールドタンパク質の分解は不可能であり、ミスフォールドタンパク質を特定の細胞部位に誘導するという、能動的な細胞防御機構の第2ラインを実行する必要があります。^[2]

JUNQ はそのような隔離部位として機能します。プロテアソームが損傷すると (例えば、プロテアソームサブユニット RPN11 の発現レベルが低い場合⁾ 、ユビキチン化された ミスフォールドタンパク質が JUNQ に分類されることが示されました [3]。ストレス状態から回復すると (例えば、許容温度での熱ショックからの回復)、 JUNQ に蓄積したミスフォールドタンパク質は、細胞シャペロン機構によってリフォールディングされるか、26S プロテアソームによって分解されます。したがって、タンパク質の JUNQ への隔離は可逆的です。^[要出典]

JUNQ は、核の縁、小胞体に近接した位置にある非膜結合細胞部位です。FRAPおよびFLIPアッセイにより、 JUNQ のタンパク質は可溶性であり、細胞質と交換されることが明らかになりました。これは、JUNQ が動的構造を持っていることを示唆しています。

JUNQへの送達は、分子シャペロンとコシャペロン、およびアクチン細胞 骨格に依存します。^[4] 誤って折り畳まれたタンパク質は、 JUNQに分類されるためにユビキチン化される必要があります。ユビキチン化が阻害されると、誤って折り畳まれたタンパク質はIPOD封入体に誘導されます。誤って折り畳まれたタンパク質の蓄積は、26SプロテアソームをJUNQにリクルートします。

IPODは不溶性タンパク質沈着 区画です。

細胞のタンパク質恒常性維持能力^[8]は加齢とともに低下し、^{[9]その結果、}神経変性疾患の発症が遅くなることがますます明らかになっています。そのような疾患（例：ハンチントン病）では、変異したタンパク質が誤って折り畳まれ、細胞質タンパク質の変性などさまざまな方法で細胞環境に対して毒性を示します。^[14]これらの毒性種を分解できないため、細胞はそれらを隔離して、細胞プロテオームとの危険な相互作用を回避しなければなりません。IPODは、毒性のアミロイド形成タンパク質が隔離される細胞内部位であることが示されており、 ^[3]保護的な品質管理区画として機能します。

さらに、リンドキストグループは、IPODが酵母プリオンが成熟する場所であると示唆した。 ^[15]したがって、IPODは隔離場所としてだけでなく、機能的な区画としても機能する可能性がある。^[15]

IPOD は膜に結合していない細胞部位で、酵母では液胞のそばにあります。FRAPおよびFLIPアッセイにより、 IPOD 内のタンパク質は密集しており、不溶性で、細胞質と交換されないことが明らかになりました。ハンチンチンタンパク質などのアミロイド形成タンパク質は 、IPOD の基質です。^{[引用が必要]}

誤って折り畳まれたタンパク質は、IPOD に分類されるためにはユビキチン化されていない必要があります。RNQ1真菌プリオンなどの IPOD 基質がユビキチン化されると、JUNQ 封入体への隔離が起こります。^[要出典]

誤って折り畳まれたタンパク質が蓄積すると、分解シャペロンであるAAA タンパク質HSP104 が IPOD に局在します。HSP104 が IPOD で機能するのか、それとも基質に引っ掛けられてそこに隔離されているだけなのかはまだ判明していません。

プレオートファゴソーム構造（PAS）はIPODによって局在化される。^[16]しかし、IPOD基質が液胞に送達されることは示されておらず、IPODとオートファジーの関係はまだ明らかにされていない。^[3]

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