ペルオキシソーム

ペルオキシソーム（IPA: [pɛɜˈɹɒksɪˌsoʊm]）^[1]は、膜結合型細胞小器官であり、ミクロボディの一種で、ほぼすべての真核細胞の細胞質に存在します。 ^{[2] [3]}ペルオキシソームは酸化細胞小器官です。多くの場合、分子状酸素が共基質として機能し、そこから過酸化水素（H ₂ O ₂）が形成されます。ペルオキシソームは過酸化水素を生成および除去する活性を持つことからその名前が付けられています。ペルオキシソームは脂質代謝と活性酸素種の減少に重要な役割を果たします。^[4]

ペルオキシソームは、超長鎖脂肪酸、分岐鎖脂肪酸、胆汁酸中間体（肝臓内）、D-アミノ酸、およびポリアミンの異化に関与している。ペルオキシソームは、哺乳類の脳と肺の正常な機能に不可欠なエーテルリン脂質であるプラズマロゲンの生合成にも関与している。 ^[5]ペルオキシソームには、エネルギー代謝に重要なペントースリン酸経路における2つの酵素（グルコース-6-リン酸脱水素酵素および6-ホスホグルコン酸脱水素酵素）の全活性の約10%が含まれている。 ^{[6 ] [5]}ペルオキシソームが動物のイソプレノイドおよびコレステロール合成に関与しているかどうかについては、激しい議論が交わされている。 ^[5]ペルオキシソームの他の機能としては、発芽種子のグリオキシル酸回路（「グリオキシソーム」）、葉の光呼吸、 ^[7]トリパノソーマの解糖（「グリコソーム」）、一部の酵母のメタノールとアミンの酸化と同化などがあります。

ペルオキシソーム（マイクロボディ）は、1954年にスウェーデンの博士課程の学生J. Rhodinによって初めて記述されました。^[8]それらは、1966年にChristian de DuveとPierre Baudhuinによって細胞小器官として特定されました。 ^[9] De Duveと同僚は、ペルオキシソームには、過酸化水素（H ₂ O ₂）の生成に関与するいくつかの酸化酵素と、 H ₂ O _2を酸素と水に分解するカタラーゼが含まれていることを発見しました。 ^[10]過酸化物代謝における役割から、De Duveはそれらを「ペルオキシソーム」と名付け、以前使用されていた形態学用語「マイクロボディ」に代えました。その後、ホタルルシフェラーゼが哺乳類細胞内のペルオキシソームを標的とすることが記述され、ペルオキシソームの輸入標的シグナルの発見が可能になり、ペルオキシソーム生合成分野で多くの進歩が起こりました。^{[11] [12]}

ペルオキシソームは、細胞の細胞質に位置し、微細な顆粒状のマトリックスを持ち、単一の生体膜に囲まれた小さな（直径0.1～1μm）細胞内区画（細胞小器官）です。^{[13] [14]}区画化により、細胞機能と生物の生存を維持するために必要なペルオキシソーム内のさまざまな代謝反応を促進するための最適化された環境が作り出されます。

ペルオキシソームの数、大きさ、タンパク質組成は細胞の種類や環境条件によって異なり、多様です。例えば、パン酵母（S. cerevisiae）では、十分なグルコース供給があれば、小さなペルオキシソームがわずかしか存在しないことが観察されています。対照的に、酵母に長鎖脂肪酸を唯一の炭素源として供給すると、最大20～25個の大きなペルオキシソームが形成されます。^[15]

ペルオキシソームの主な機能は、ベータ酸化による超長鎖脂肪酸の分解です。動物細胞では、長鎖脂肪酸は中鎖脂肪酸に変換され、その後ミトコンドリアに運ばれ、最終的に二酸化炭素と水に分解されます。酵母と植物細胞では、このプロセスはペルオキシソーム内でのみ行われます。^{[16] [17]}

動物細胞におけるプラズマローゲン形成の最初の反応もペルオキシソームで起こる。プラズマローゲンはミエリン中に最も多く含まれるリン脂質である。プラズマローゲンの欠乏は神経細胞の髄鞘形成に重大な異常を引き起こし、これが多くのペルオキシソーム疾患が神経系に影響を及ぼす理由の一つである。 ^{[16]ペルオキシソームは脂肪や脂溶性ビタミン（ビタミンAやビタミンKなど）の吸収に重要な}胆汁酸の生成にも関与している。皮膚疾患は、結果としてペルオキシソーム機能に影響を及ぼす遺伝性疾患の特徴である。^[17]

哺乳類のペルオキシソームでのみ起こる特定の代謝経路は以下の通りである: ^[5]

• フィタン酸のα酸化
• 超長鎖脂肪酸および多価不飽和脂肪酸のβ酸化
• プラズマローゲンの生合成
• 胆汁酸合成の一部としてのコール酸の抱合

ペルオキシソームには、 D-アミノ酸オキシダーゼや尿酸オキシダーゼなどの酸化酵素が含まれています。^[18]しかし、尿酸オキシダーゼはヒトには存在しないため、尿酸の蓄積によって引き起こされる痛風と呼ばれる病気の原因となっています。ペルオキシソーム内の特定の酵素は、分子状酸素を使用して、酸化反応で特定の有機基質（Rと表示）から水素原子を除去し、過酸化水素（H ₂ O ₂、それ自体が有毒）を生成します。

${\displaystyle \mathrm {RH} _{\mathrm {2} }+\mathrm {O} _{\mathrm {2} }\rightarrow \mathrm {R} +\mathrm {H} _{2}\mathrm { O} _{2}}$

もう一つのペルオキシソーム酵素であるカタラーゼは、この H ₂ O _{2 を使って、}フェノール、ギ酸、ホルムアルデヒド、アルコールなどの他の基質を過酸化反応によって酸化します。

${\displaystyle \mathrm {H} _{2}\mathrm {O} _{2}+\mathrm {R'H} _{2}\rightarrow \mathrm {R'} +2\mathrm {H} _{ 2}\mathrm {O} }$これにより、プロセス中に有毒な過酸化水素が除去されます。

この反応は肝臓や腎臓の細胞で重要で、ペルオキシソームは血液中に入る様々な毒性物質を解毒します。人間がアルコール飲料を飲むことで消費するエタノールの約25％は、このようにしてアセトアルデヒドに酸化されます。^[16]さらに、過剰なH ₂ O _2が細胞内に蓄積すると、カタラーゼが次の反応を通じてそれをH ₂ Oに変換します。

${\displaystyle 2\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} _{2}\rightarrow 2\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} +\mathrm {O} _{2}}$

高等植物では、ペルオキシソームにはスーパーオキシドディスムターゼ、アスコルビン酸-グルタチオン回路の構成要素、ペントース-リン酸経路のNADP-脱水素酵素などの複雑な抗酸化酵素も含まれています。ペルオキシソームはスーパーオキシド（O ₂ ^•−）ラジカルと一酸化窒素（^• NO ）ラジカルを生成することが実証されています。^{[19] [20]}

_{ペルオキシソームH2O2を}含む活性酸素種は、植物や動物においても重要なシグナル分子であり、人間の健康的な老化や加齢に伴う疾患に寄与しているという証拠が現在ではある。^[21]

植物細胞のペルオキシソームは、真菌の侵入と戦う際に極性化します。感染により、抗真菌の役割を果たすグルコシノレート分子が生成され、ペルオキシソームタンパク質（PEN2およびPEN3）の作用により細胞外に送達されます。^[22]

哺乳類やヒトのペルオキシソームは抗ウイルス防御にも貢献している。^[23]病原体との戦い^[24]

ペルオキシソームは、特定の実験条件下で滑面小胞体から生成され、膜成長および既存の細胞小器官からの分裂によって複製される。^{[25] [26] [27]}ペルオキシソームマトリックスタンパク質は、輸入前に細胞質で翻訳される。ペルオキシソームマトリックスタンパク質のC末端（PTS1）またはN末端（PTS2）の特定のアミノ酸配列（PTSまたはペルオキシソーム標的化シグナル）は、標的因子によって細胞小器官に輸入されるように信号を送る。現在、ペルオキシソームの生合成と維持に関与するペルオキシンと呼ばれるタンパク質が36種類知られており、^[28]さまざまな生物でペルオキシソームの組み立てプロセスに関与している。哺乳類細胞では、13種類のペルオキシンが特徴付けられている。小胞体（ER）またはミトコンドリアへのタンパク質輸入とは対照的に、タンパク質はペルオキシソーム腔に輸入されるために展開される必要はない。マトリックスタンパク質輸入受容体であるペルオキシンPEX5とPEX7は、それぞれPTS1またはPTS2アミノ酸配列を含む貨物をペルオキシソームまで運び、そこで貨物をペルオキシソームマトリックスに放出し、その後細胞質に戻る。このステップはリサイクリングと呼ばれる。ペルオキシソームタンパク質を標的とする特別な方法は、ピギーバッキングと呼ばれる。この独自の方法で輸送されるタンパク質は標準的なPTSを持たず、むしろPTSタンパク質に結合して複合体として輸送される。^[29]輸入サイクルを説明するモデルは、拡張シャトルメカニズムと呼ばれている。^[30]現在では、受容体の細胞質へのリサイクルにはATP加水分解が必要であるという証拠がある。また、ユビキチン化はペルオキシソームから細胞質へのPEX5の輸出に極めて重要である。ペルオキシソーム膜の生合成とペルオキシソーム膜タンパク質 (PMP) の挿入には、ペルオキシン PEX19、PEX3、および PEX16 が必要です。PEX19 は PMP 受容体およびシャペロンであり、PMP に結合してペルオキシソーム膜に送り、そこでペルオキシソーム膜貫通タンパク質である PEX3 と相互作用します。その後、PMP はペルオキシソーム膜に挿入されます。

ペルオキシソームの分解はペキソファジーと呼ばれる。^[31]

ペルオキシソームの多様な機能は、小胞体、ミトコンドリア、脂肪滴、リソソームなどの細胞脂質代謝に関与する多くの細胞小器官との動的な相互作用と協力を必要とする。^[32]

ペルオキシソームは、脂肪酸のβ酸化や活性酸素種の代謝など、いくつかの代謝経路でミトコンドリアと相互作用します。^{[5]両方の細胞小器官は小胞体と密接に接触しており、細胞小器官分裂因子を含むいくつかのタンパク質を共有しています。 [33]}ペルオキシソームは小胞体とも相互作用し、神経細胞にとって重要なエーテル脂質（プラズマロゲン）の合成に協力します（上記参照）。糸状菌では、ペルオキシソームは「ヒッチハイク」によって微小管上を移動します。これは、急速に移動する初期エンドソームとの接触を伴うプロセスです。^[34] 細胞小器官間の物理的接触は、多くの場合、膜接触部位によって媒介されます。膜接触部位では、2つの細胞小器官の膜が物理的につながれて、小分子の迅速な転送や細胞小器官間のコミュニケーションを可能にし、細胞機能の調整、ひいては人間の健康に不可欠です。^[35]膜接触の変化は様々な疾患で観察されている。

ペルオキシソーム障害は、典型的にはヒトの神経系だけでなく他の多くの臓器系にも影響を及ぼす病状の一群である。2つの一般的な例としては、X連鎖性副腎白質ジストロフィーとペルオキシソーム生合成障害がある。^{[36] [37]}

PEX 遺伝子は、ペルオキシソームの適切な組み立てに必要なタンパク質機構 (ペルオキシン) をコードします。ペルオキシソーム膜タンパク質は少なくとも 2 つの経路で輸入されます。そのうちの 1 つはペルオキシン 19 とペルオキシン 3 の相互作用に依存し、もう 1 つはペルオキシン 3 の輸入に必要です。どちらの経路も、前述のようにペルオキシソーム標的シグナル PTS1 または PTS2 を持つマトリックス (ルーメン) 酵素の輸入なしで発生する可能性があります。^[38] ペルオキシソーム膜の伸長と細胞小器官の最終的な分裂は、Pex11p によって制御されます。^[39]

ペルオキシンタンパク質をコードする遺伝子には、PEX1、PEX2（PXMP3）、PEX3、PEX5、 PEX6 、PEX7、PEX9、^{[40] [41]} PEX10、PEX11A、PEX11B、PEX11G、PEX12、PEX13、PEX14、PEX16、PEX19、PEX26 、 PEX28 、 PEX30 、およびPEX31があります。生物間で、PEXの番号と機能が異なる場合があります。

ペルオキシソームのタンパク質含有量は種や生物によって異なりますが、多くの種に共通するタンパク質の存在は、共生起源を示唆するために使用されてきました。つまり、ペルオキシソームは寄生虫としてより大きな細胞に侵入した細菌から進化し、非常にゆっくりと共生関係を進化させたということです。^[42]しかし、この見解は最近の発見によって疑問視されています。^[43]たとえば、ペルオキシソームのない変異体は、野生型遺伝子の導入によりペルオキシソームを回復することができます。

ペルオキシソームプロテオームの2つの独立した進化解析により、ペルオキシソーム輸入機構と小胞体のERAD経路の間に相同性が見つかりました^{[44] [45]}。また、ミトコンドリアからリクルートされたと思われる代謝酵素もいくつか見つかりました^{[45] 。ペルオキシソームは}放線菌類に由来する可能性があるが^[46]、これは議論の余地があります^{[47] 。}

ペルオキシソームに関連するミクロボディファミリーの他の細胞小器官には、植物や糸状菌のグリオキシソーム、キネトプラスチドのグリコソーム、^[48]および糸状菌の ウォロニン小体などがある。

• ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体

Wikiversityにはペルオキシソームに関する学習リソースがあります。

細胞生物学科

ウィキメディア・コモンズには、ペルオキシソームに関連するメディアがあります。

• PeroxisomeDB: ペルオキシソームデータベース
• PeroxisomeKB: ペルオキシソーム知識ベース
• 革新的なトレーニングネットワーク PERICO