ファゴソーム

細胞生物学において、ファゴソームとは、貪食細胞によって貪食された粒子の周囲に形成される小胞である。専門的な貪食細胞には、マクロファージ、好中球、樹状細胞（DC）などがある。^[1]

ファゴソームは、微生物、老化細胞、またはアポトーシス細胞の周囲の細胞膜が融合して形成されます。ファゴソームには膜結合タンパク質があり、リソソームをリクルートして融合し、成熟したファゴリソソームを形成します。リソソームには、病原体を殺して消化する加水分解酵素と活性酸素種(ROS) が含まれています。ファゴソームは、非プロフェッショナル食細胞でも形成されますが、取り込める粒子の範囲は狭く、ROS は含まれていません。消化された粒子からの有用な物質 (アミノ酸など) は細胞質に移動され、老廃物はエキソサイトーシスによって除去されます。ファゴソームの形成は、組織の恒常性と、病原体に対する自然および適応的な宿主防御の両方にとって重要です。

しかし、細菌の中には、侵略戦略として貪食作用を利用するものもある。それらは、ファゴリソソーム内で増殖するか（例えば、コクシエラ属菌）^[2]、ファゴソームがリソソームと融合する前に細胞質に逃げ込む（例えば、リケッチア属菌）^{[3] 。結核菌[4] [5]}やパラ結核菌^[6]を含む多くの結核菌は、宿主のマクロファージを操作して、リソソームがファゴソームと融合して成熟したファゴリソソームを形成するのを防ぐことができる。このようにファゴソームが不完全に成熟することで、ファゴソーム内の病原体にとって好ましい環境が維持される。^[7]

ファゴソームは、通常直径が0.5μmを超える細菌全体、またはアポトーシス細胞や老化細胞を分解するのに十分な大きさです。 ^{[8]これは、ファゴソームが}ナノメートル単位で測定されるエンドソームよりも数桁大きいことを意味します。

ファゴソームは、病原体またはオプソニンが食細胞表面にランダムに分布する膜貫通受容体に結合することで形成される。結合すると、「外から内への」シグナル伝達によってアクチンの重合と仮足形成が誘発され、微生物を取り囲んで背後で融合する。シグナル伝達と粒子の内部化の制御には、タンパク質キナーゼC、ホスホイノシチド3キナーゼ、およびホスホリパーゼC（PLC）が必要である。^[9]病原体が取り囲まれると、より多くの細胞表面受容体がジッパーのようなメカニズムで粒子に結合でき、結合親和性が増加する。^[10] Fc受容体（FcR）、補体受容体（CR）、マンノース受容体、およびデクチン-1は食細胞受容体であり、線維芽細胞などの非食細胞で発現すると食作用を誘導することができる。^[11] Toll様受容体などの他のタンパク質は病原体のパターン認識に関与しており、しばしばファゴソームにリクルートされるが、非貪食細胞における貪食を特異的に引き起こさないため、貪食受容体とは見なされない。

オプソニンは、抗体や補体などの分子タグで、病原体に付着して貪食作用をアップレギュレーションします。免疫グロブリン G (IgG) は、血清中に存在する主要なタイプの抗体です。これは適応免疫システムの一部ですが、マクロファージを動員して病原体を貪食することで自然免疫反応と関連しています。抗体は可変Fab ドメインで微生物に結合し、Fc ドメインはFc 受容体 (FcR) に結合して貪食作用を誘発します。

補体介在性内部化では膜突出はそれほど顕著ではないが、両経路の下流シグナル伝達は収束してRho GTPaseを活性化する。^[12]これらは、ファゴソームがエンドソームやリソソームと融合するために必要なアクチン重合を制御する。

その他の非専門食細胞は、赤血球を貪食できる甲状腺や膀胱上皮細胞、網膜桿体を内部化する網膜上皮細胞など、ある程度の貪食活性を有する。^[8]しかし、非専門食細胞はFcRなどの特定の貪食受容体を発現せず、内部化率がはるかに低い。

侵入性細菌の中には、非貪食細胞に貪食を誘導して宿主の取り込みを媒介するものもあります。例えば、赤痢菌は宿主の細胞骨格を変化させる毒素を分泌し、腸管上皮細胞の基底外側部に侵入することができます。^[13]

ファゴソームの膜は細胞膜の融合によって形成されるため、リン脂質二重層の基本的な構成は同じです。エンドソームとリソソームは、特に取り込まれた粒子が寄生虫のように非常に大きい場合に、ファゴソームと融合して膜に寄与します。^{[14]また、さまざまな膜タンパク質をファゴソームに送達し、細胞}小器官の構造を変更します。

ファゴソームは人工の低密度ラテックスビーズを包み込み、その後ショ糖濃度勾配に沿って精製することで、構造と組成を研究することができます。^[15]ファゴソームを異なる時点で精製することで、成熟プロセスも特徴付けることができます。初期のファゴソームはRab5によって特徴付けられ、小胞が後期ファゴソームに成熟するにつれてRab7に移行します。

新生ファゴソームは、本来殺菌性はありません。成熟するにつれて、pH 6.5 から pH 4 へと酸性度が高まり、特徴的なタンパク質マーカーと加水分解酵素を獲得します。さまざまな酵素がさまざまな最適 pH で機能し、成熟プロセスの狭い段階でそれぞれが機能するように範囲を形成します。酵素活性は pH レベルを変更することで微調整でき、柔軟性が高まります。ファゴソームは細胞骨格の微小管に沿って移動し、動的な「キス アンド ラン」方式でエンドソームおよびリソソームと順次融合します。^[16]この細胞内輸送はファゴソームのサイズによって異なります。より大きな細胞小器官 (直径約 3 μm) は、細胞周辺から核周辺領域に向かって非常に持続的に輸送されますが、より小さな細胞小器官 (直径約 1 μm) は、細胞中心と細胞周辺の間を双方向に往復輸送されます。^[17]液胞プロトンポンプ（v-ATPase）はファゴソームに運ばれ、オルガネラコンパートメントを酸性化し、病原体にとってより敵対的な環境を作り出し、タンパク質の分解を促進します。細菌タンパク質は低pHで変性し、酸性環境の影響を受けないプロテアーゼにアクセスしやすくなります。酵素は後に排出前にファゴリソソームからリサイクルされるため、無駄になりません。リン脂質膜の組成もファゴソームが成熟するにつれて変化します。^[15]

融合には、ファゴソームの内容に応じて数分から数時間かかることがあります。FcRまたはマンノース受容体を介した融合は30分未満で終わりますが、ラテックスビーズを含むファゴソームはリソソームと融合するのに数時間かかることがあります。^[8]ファゴソーム膜の組成が成熟速度に影響を与えることが示唆されています。結核菌は非常に疎水性の細胞壁を持っており、これが膜のリサイクルと融合因子のリクルートメントを妨げると考えられているため、ファゴソームはリソソームと融合せず、細菌は分解を回避します。^[18]

より小さな内腔分子はより大きな分子よりも速く融合によって移動し、これは「キス・アンド・ラン」中にファゴソームと他の小胞の間に小さな水性チャネルが形成され、それを通じて限られた交換のみが可能になることを示唆している。^[8]

内部化後すぐに、F-アクチンは新しく形成されたファゴソームから脱重合し、エンドソームにアクセスしてタンパク質の融合と送達が可能になります。^[8]成熟プロセスは、小さなRab GTPaseによって制御される特徴的なタンパク質マーカーに応じて初期段階と後期段階に分けられます。Rab5は初期ファゴソームに存在し、Rab7によってマークされた後期ファゴソームへの移行を制御します。^[19]

Rab5はPI-3キナーゼやVps34などの他の係留タンパク質をファゴソーム膜にリクルートし、エンドソームがタンパク質をファゴソームに送達できるようにします。Rab5は、酵母のCORVET複合体とHOPS複合体を介して、Rab7への移行に部分的に関与しています。^{[19]哺乳類の正確な成熟経路は十分に理解されていませんが、HOPSがRab7に結合し、}グアノシンヌクレオチド解離阻害剤（GDI）を置換できることが示唆されています。^[20] Rab11は膜のリサイクルに関与しています。^[21]

ファゴソームはリソソームと融合してファゴリソソームを形成し、さまざまな殺菌特性を持っています。ファゴリソソームには活性酸素種と活性窒素種(ROS と RNS) および加水分解酵素が含まれています。また、このコンパートメントは、細菌タンパク質を変性させるために使用される膜を横切って H ^{+ を}輸送するプロトン ポンプ (v-ATPase) により酸性になっています。

ファゴリソソームの正確な特性は、食細胞の種類によって異なります。樹状細胞のファゴリソソームは、マクロファージや好中球のファゴリソソームよりも殺菌力が弱いです。また、マクロファージは炎症誘発性の「キラー」M1と「修復」M2に分けられます。M1のファゴリソソームはアルギニンを反応性の高い一酸化窒素に代謝することができ、M2はアルギニンを使用してオルニチンを生成し、細胞増殖と組織修復を促進します。^[22]

マクロファージと好中球は、病原体の分解のほとんどを担う専門的な食細胞ですが、殺菌方法は異なります。好中球には、ファゴソームと融合する顆粒があります。顆粒にはNADPHオキシダーゼとミエロペルオキシダーゼが含まれており、有毒な酸素と塩素誘導体を生成して、酸化バーストで病原体を殺します。プロテアーゼと抗菌ペプチドもファゴリソソームに放出されます。マクロファージには顆粒がなく、微生物を消化するためにファゴリソソームの酸性化、グリコシダーゼ、プロテアーゼに大きく依存しています。^[21]樹状細胞のファゴソームは、リソソームプロテアーゼの濃度が低く、プロテアーゼ阻害剤が存在するため、酸性度が低く、加水分解活性がはるかに弱いです。

ファゴソームの形成は、共通のシグナル伝達分子を介して炎症と結びついています。PI-3キナーゼとPLCは、内在化メカニズムと炎症の誘発の両方に関与しています。^[9]この2つのタンパク質は、Rho GTPaseとともに、自然免疫応答の重要な構成要素であり、サイトカイン産生を誘導し、MAPキナーゼシグナル伝達カスケードを活性化します。IL -1β、IL-6、TNFα、IL-12などの炎症性サイトカインがすべて産生されます。^[8]

このプロセスは厳密に制御されており、炎症反応はファゴソーム内の粒子の種類によって異なります。病原体に感染したアポトーシス細胞は炎症を引き起こしますが、正常な組織のターンオーバーの一環として分解される損傷細胞は炎症を引き起こしません。反応はオプソニンを介した貪食によっても異なります。FcRおよびマンノース受容体を介した反応は炎症誘発性の活性酸素種およびアラキドン酸分子を生成しますが、CRを介した反応ではこれらの生成物は生成されません。^[8]

未熟な樹状細胞（DC）は貪食できるが、成熟したDCは細胞骨格のリモデリングに関与するRho GTPaseの変化により貪食できない。^[21] DCのファゴソームはマクロファージや好中球のものよりも加水分解性が低く酸性度が低い。これはDCが主に抗原提示に関与しており、病原体の分解に関与していないためである。DCは特定の細菌認識に適したサイズのタンパク質断片を保持する必要があるため、ペプチドは部分的にしか分解されない。^[21]細菌からのペプチドは主要組織適合遺伝子複合体（MHC）に輸送される。ペプチド抗原はリンパ球に提示され、そこでT細胞受容体に結合してT細胞を活性化し、自然免疫と獲得免疫のギャップを埋める。^[9]これは哺乳類、鳥類、顎魚類に特有のもので、昆虫には獲得免疫がない。^[23]

アメーバなどの古代の単細胞生物は、免疫戦略ではなく、栄養素を獲得する方法として貪食作用を利用しています。それらは他の小さな微生物を飲み込み、1分間に約1個の細菌の食胞内でそれらを消化します。これはプロの食細胞よりもはるかに速いです。^[24]土壌アメーバであるDictyostelium discoideumの場合、主な食料源は細菌Legionella pneumophilaで、これはヒトにレジオネラ症を引き起こします。^[25]アメーバの食胞成熟はマクロファージのものと非常に似ているため、アメーバはプロセスを研究するためのモデル生物として使用されています。^[16]

ファゴソームは老化細胞とアポトーシス細胞を分解して組織の恒常性を維持する。赤血球は体内で最も回転率の高い細胞の一つであり、肝臓と脾臓のマクロファージによって貪食される。胎児では、死んだ細胞を除去するプロセスは十分に特徴付けられていないが、マクロファージや造血幹細胞由来の他の細胞によって実行されることはない。^[26]アポトーシス細胞が専門的な貪食細胞によって貪食されるのは成人のみである。炎症は特定の病原体または損傷関連分子パターン（PAMPまたはDAMP）によってのみ引き起こされ、老化細胞の除去は非炎症性である。^[14]

オートファゴソームは、主にミトコンドリアなどの損傷した細胞質小器官を選択的に分解するために使用されるという点で、ファゴソームとは異なります（ミトファジー）。しかし、細胞が飢餓またはストレスを受けると、オートファゴソームは細胞小器官を非選択的に分解して、細胞にアミノ酸やその他の栄養素を提供することもできます。^[27]オートファジーはプロの食細胞に限定されず、細胞生物学者クリスチャン・ド・デューブによってラットの肝細胞で最初に発見されました。^{[28]オートファゴソームは二重の膜を持ち、内側の膜は飲み込まれた細胞小器官から、外側の膜は}小胞体またはER-ゴルジ中間区画（ERGIC）から形成されていると推測されています。 ^[29]オートファゴソームはリソソームと融合してその内容物を分解することもあります。M.tuberculosisがファゴソームの酸性化を阻害すると、インターフェロンガンマはオートファジーを誘導し、成熟プロセスを救済することができる。^[30]

多くの細菌は、ファゴソームの殺菌特性を回避するように、あるいは侵入戦略として貪食作用を利用するように進化してきました。

• 結核菌は、活性酸素を生成しない呼吸経路の下部にあるM2マクロファージを標的とする。^[31] 結核菌は、 PtpAやSapMなどのホスファターゼを分泌することでシグナル伝達経路を操作することもできる。これにより、タンパク質のリクルートメントが阻害され、ファゴソームの酸性化が阻害される。^{[8] [32]}
• レジオネラ・ニューモフィラは、ファゴソーム膜を再構築して分泌経路の他の部分の小胞を模倣することができるため、リソソームはファゴソームを認識せず、ファゴソームと融合しません。細菌は宿主の輸送を妨げる毒素を分泌するため、レジオネラを含む液胞は、通常、小胞体またはERGICにある膜タンパク質をリクルートします。^[33]これにより、分泌小胞が改変されたファゴソームにリダイレクトされ、細菌に栄養素が供給されます。
• リステリア・モノサイトゲネスは、細菌がファゴソームから細胞質へ脱出できるように、孔形成タンパク質であるリステリオリシンOを分泌する。リステリオリシンはファゴソームの酸性環境によって活性化される。 ^[34]さらに、リステリアはファゴソーム脱出を促進する2つのホスホリパーゼC酵素を分泌する。

• オートファゴソーム
• 食細胞