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細胞生物学において、ミクロソームは、実験室で真核細胞を破砕した際に小胞体（ER）の断片から再形成される、不均一な小胞状の人工物（直径約20～200 nm）であり、健康な生細胞には存在しない。[ 1 ]
粗面ミクロソーム（リボソームを含む）と滑面ミクロソーム（リボソームを含まない）は、細胞破壊によって小胞体から作られます。これらのミクロソームの内部は、小胞体の内腔と全く同じ構造をしています。どちらの形態のミクロソームも、平衡密度遠心分離法と呼ばれる方法で精製できます。粗面ミクロソームと滑面ミクロソームはタンパク質が異なり、酵母のタンパク質にはいくつかの例外がありますが、粗面ミクロソームでは翻訳と転座が同時に起こることが示されています。
シグナル仮説は、1971年にギュンター・ブロベルとデイビッド・サバティーニによって提唱され、ER膜を横断するタンパク質に特異的なmRNAによって独自のペプチド配列がコードされていると述べている。このペプチドシグナルは活性リボソームを膜表面に誘導し、新生ポリペプチドが膜を横断する条件を作り出す。シグナル仮説をすべての細胞小器官と細胞内の場所のシグナルを含むように一般化したことは、分泌タンパク質の標的化を解明するだけでなく、初めて「トポジェニック」シグナルの概念を導入したことで、はるかに大きな影響を与えた。シグナル仮説以前は、ポリペプチド鎖にコードされた情報が細胞内のタンパク質の局在を決定できるとはほとんど考えられなかった。[ 2 ]
これは無細胞タンパク質合成に関するものです。ミクロソームのない無細胞タンパク質合成では、ミクロソームへの組み込みは起こりません。つまり、後からミクロソーム膜が提示されても、シグナル配列の除去は起こりません。ミクロソームが存在する場合、無細胞タンパク質合成では、タンパク質がミクロソームへ共翻訳的に輸送され、シグナル配列が除去されます。このプロセスにより、成熟したタンパク質鎖が生成されます。ミクロソームから結合したリボソームが除去された場合の無細胞タンパク質合成プロセスに関する研究が行われています。これにより、小胞体シグナル配列に関するいくつかの詳細が明らかになりました。通常、分泌タンパク質は、ミクロソームがタンパク質合成のために存在する場合にのみ、ミクロソームに組み込まれるため、シグナル配列が除去されます。タンパク質合成プロセスの完了後にミクロソームが遅れて追加された場合、タンパク質の輸送は起こりません。
タンパク質がミクロソーム内に押し出される現象は、複数の要因によって説明できます。タンパク質が押し出されたかどうかは、プロテアーゼ耐性がある場合、界面活性剤が存在する場合にプロテアーゼ耐性がない場合、またはミクロソーム内に存在する酵素によってグリコシル化される場合に判断できます。さらに、タンパク質が押し出されたことを示すもう一つの兆候は、ミクロソーム内でシグナルペプチダーゼがN末端シグナルペプチドを切断し、その結果タンパク質のサイズが小さくなることです。
パルスチェイス実験では、ミクロソームも重要な役割を果たします。パルスチェイス実験では、膜を精製すると分泌タンパク質が小胞体膜を通過することが示されました。転座を調べるには、小胞体を細胞の他の部分から分離することが重要でしたが、小胞体は非常に繊細で相互に連結しているため、これは不可能でした。そこで、小胞体の生化学的特性の大部分を持つミクロソームが利用されました。ミクロソームは、細胞を均質化することによって形成され、粗面小胞体の分解によってリボソームが外側に付着した小さな閉鎖小胞が形成されます。ミクロソームをプロテアーゼで処理すると、リボソームによって作られたポリペプチドがミクロソームの内腔で終わることがわかりました。これは、タンパク質が小胞体膜の細胞質側で作られているにもかかわらず起こります。
他の実験では、分泌タンパク質がミクロソーム内腔に入るためには、最初の約 70 個のアミノ酸が翻訳される前にミクロソームを導入する必要があることが示されています。この時点で、40 個のアミノ酸がリボソームから突き出ており、その後の 30 個のアミノ酸はリボソームチャネル内にあります。共翻訳転座は、分泌タンパク質の小胞体内腔への輸送が、タンパク質がまだリボソームに結合していて完全に合成されていない状態で始まることを説明しています。[ 3 ]ミクロソームは、分画遠心分離 によって濃縮され、他の細胞残骸から分離することができます。壊れていない細胞、核、ミトコンドリアは 10,000 g (g は地球の重力加速度) で沈降しますが、可溶性酵素と、シトクロム P450 (CYP)を含む断片化した ER は溶液中に残ります。 100,000 g の遠心分離では、より高速な遠心分離によって、ER はペレットとして溶液から沈殿しますが、可溶性酵素は上清に残ります。このようにして、ミクロソーム中のシトクロム P450 が濃縮され、分離されます。ミクロソームは、ヘムの存在により赤褐色を呈します。多部分タンパク質システムが必要であるため、ミクロソームはCYP の代謝活性を分析するために必要です。これらの CYP は、ラット、マウス、ヒトの肝臓に非常に豊富に存在しますが、他のすべての臓器や生物にも存在します。
特定の CYP を含むミクロソームや、活性酵素を高濃度で得るために、ミクロソームはSf9 昆虫細胞または酵母から異種発現によって調製されます。あるいは、大腸菌で全タンパク質または切断タンパク質を発現させることもできます。[ 4 ] [ 5 ]したがって、ミクロソームは化合物の代謝 (酵素阻害、クリアランス、代謝物の同定) を調査したり、 in vitro研究によって薬物相互作用を調べたりするための貴重なツールです。研究者は、特定の CYP の酵素活性レベルに基づいてミクロソームのロットを選択することがよくあります。一部のロットは、特定の集団 (たとえば、喫煙者または非喫煙者の肺ミクロソーム) を研究するために利用可能であり、阻害および代謝研究の目標 CYP 活性レベルを満たすように分類に分けられています。
ミクロソームは、試験管内で小胞体の活動を模倣し、膜上でのタンパク質合成を必要とする実験を行うために用いられる。ミクロソームを用いることで、試験管内で細胞内の小胞体におけるタンパク質合成の過程を再現し、その仕組みを解明することができる。
Keefer らは、ヒト肝ミクロソームとヒト肝細胞が、in vitro システムにおける代謝安定性と阻害の研究にどのように使用されているかを調査しました。それらの類似点と相違点を詳しく調べると、代謝、受動的透過性、および輸送体のメカニズムが明らかになります。受動的透過性は、ヒト肝細胞における代謝と酵素阻害において重要であることが示されました。また、P-gp 排出は、同じ領域では役割が小さいです。さらに、肝ミクロソームは、肝細胞よりも高い固有クリアランスを示す場合、in vivo クリアランスの予測において肝細胞よりも優れています。[ 6 ]
イクバル、ジャハンギル、アル・カルニはミクロソームトリグリセリド転送タンパク質（MTP）を研究した。MTPは小胞体常在タンパク質であり、中性脂質を新生アポリポタンパク質Bに転送するのを助ける。MTPは、アポB含有リポタンパク質の組み立てと分泌に影響を与えるため、MTP変異を有する無βリポタンパク血症患者にとって大きな有用性がある。これらのMTP変異は、アポB含有リポタンパク質の循環がないことと関連している。MTPはコレステロールエステルとクラスター・オブ・ディファレンシエーション1dの生合成にも関与している。スフィンゴ脂質をアポB含有リポタンパク質に転送することもMTPの能力に含まれる。MTPは脂質とリポタンパク質の恒常性に関与しており、特定の病態生理学的状態や代謝性疾患と関連している。[ 7 ]
Wangらは、ヒト肝ミクロソームとヒト肝S9分画を用いてin vitroでの薬物代謝を調べた。この研究では、薬物代謝酵素とトランスポータータンパク質の濃度において、ヒト肝ミクロソームとヒト肝S9分画の間に有意な差があることがわかった。これらの薬物代謝酵素とトランスポーターのタンパク質間相関は、2つの肝臓製剤に関連して決定された。[ 8 ]