ストレス顆粒

細胞生物学において、ストレス顆粒は細胞質内の生体分子凝縮物であり、細胞がストレスを受けると、タンパク質とRNAから構成され、0.1～2μmの膜のないオルガネラに集合する。^{[ 1 ] [ 2 ]}ストレス顆粒に見られるmRNA分子は、40Sリボソームサブユニット、翻訳開始因子、ポリ(A)+ mRNA、およびRNA結合タンパク質(RBP)と結合した、翻訳が停止した前開始複合体である。ストレス顆粒は膜のないオルガネラであるが、小胞体と関連していると考えられている。^{[ 3 ]}核ストレス顆粒も存在する。この記事は細胞質ストレス顆粒についてである。

ストレス顆粒の機能は依然としてほとんど不明である。ストレス顆粒は、RNAを有害な条件から保護する機能を持つと長い間提唱されてきたため、ストレス下で出現すると考えられている。^{[ 4 ]} RNAが密な球状に蓄積することで、有害な化学物質との反応を防ぎ、 RNA配列にコード化された情報を保護する可能性がある。

ストレス顆粒は、未翻訳mRNAの決定点としても機能する可能性がある。分子は、さらなる貯蔵、分解、または翻訳の再開という3つの経路のいずれかに進むことができる。^{[ 5 ]}逆に、ストレス顆粒はmRNA貯蔵の重要な場所ではなく、貯蔵状態と分解状態の間の輸送中のmRNAの中間場所としても機能しないとも主張されている。^{[ 6 ]}

生化学的に精製されたストレス顆粒「コア」からRNAをシーケンスすることにより、ストレス顆粒内のすべてのRNA（ストレス顆粒トランスクリプトーム）を偏りなく同定する試みにより、RNAは配列特異的な方法でストレス顆粒にリクルートされるのではなく、より長い転写産物や翻訳が最適でない転写産物が濃縮されるという一般的な方法でリクルートされることが示されています。^{[ 7 ]}これらのデータは、ストレス顆粒トランスクリプトームがRNAの価数（タンパク質または他のRNAの場合）とポリソームからのRNA流出速度によって影響を受けることを示唆しています。後者は、最近の単一分子イメージング研究によってさらに裏付けられています。^{[ 8 ]}さらに、細胞内の全mRNAの約15%だけがストレス顆粒に局在すると推定されており、^{[ 7 ]}ストレス顆粒は細胞内のmRNAのごく一部にしか影響を与えず、以前考えられていたほどmRNA処理にとって重要ではない可能性があることを示唆しています。^{[ 7 ] [ 9 ]}とはいえ、これらの研究はあくまでも一時点のスナップショットに過ぎず、RNAがストレス顆粒に出入りするため、ある時点ではより多くのmRNAがストレス顆粒に蓄積されている可能性が高い。

植物細胞のストレス顆粒の主要成分であるストレスタンパク質は、熱やその他の種類のストレス中に展開したタンパク質を隔離、保護、そしておそらく修復する分子シャペロンである。 ^{[ 10 ] [ 11 ]}したがって、mRNAとストレス顆粒のいかなる関連性も、部分的に展開したRNA結合タンパク質とストレス顆粒の関連性の単なる副産物である可能性があり、^{[ 12 ]} mRNAとプロテアソームの関連性と同様である。^{[ 13 ]}

環境ストレス因子は細胞シグナル伝達を誘発し、最終的にストレス顆粒の形成につながります。試験管内では、これらのストレス因子には、熱、寒さ、酸化ストレス（亜ヒ酸ナトリウム）、小胞体ストレス（タプシガルギン）、プロテアソーム阻害（MG132）、高浸透圧ストレス、紫外線、 eIF4A阻害（パテアミンA、ヒップリスタノール、またはRocA）、3-モルホリノシドノイミン（SIN-1）処理後の酸化窒素蓄積^{[ 15 ]}、pre- mRNAスプライシングの撹乱^{[ 16 ]}、およびポリソームの分解を引き起こすピューロマイシンなどの他のストレス因子が含まれます^{[ 17 ]}。これらのストレス因子の多くは、特定のストレス関連キナーゼ（HRI、PERK、PKR、およびGCN2）の活性化、翻訳阻害、およびストレス顆粒の形成につながります。 ^{[ 17 ]} Gαq活性化時にもストレス顆粒が形成されるが、そのメカニズムにはGαqエフェクターホスホリパーゼCβの細胞質集団からのストレス顆粒関連タンパク質の放出が関与している。^{[ 18 ]}

ストレス顆粒の形成は、多くの場合、ストレスによって活性化される真核生物翻訳開始因子eIF2αのリン酸化の下流で起こります。ただし、これはストレス顆粒を誘導するすべてのタイプのストレス因子に当てはまるわけではありません。 ^{[ 17 ]}例えば、eIF4A 阻害などです。さらに下流では、タンパク質TIA-1のプリオン様凝集がストレス顆粒の形成を促進します。プリオン様という用語は、 TIA-1の凝集が濃度依存的であり、シャペロンによって阻害され、凝集体がプロテアーゼに耐性があることから使用されています。^{[ 19 ]}また、微小管がストレス顆粒の形成に役割を果たしている可能性も示唆されており、おそらく顆粒成分の輸送によるものと考えられます。この仮説は、化学物質ノコダゾールによる微小管の破壊が顆粒の出現を阻害するという事実に基づいています。 ^{[ 20 ]}さらに、多くのシグナル伝達分子がストレス顆粒の形成や動態を調節することが示されています。これらには、「マスターエネルギーセンサー」であるAMP活性化プロテインキナーゼ（AMPK）^{[ 21 ]}、O-GlcNAcトランスフェラーゼ酵素（OGT） [ ^{22 ] 、}およびプロアポトーシスキナーゼROCK1 ^{[ 23 ]}が含まれる。

ストレス顆粒とPボディ（プロセシングボディ）はRNAとタンパク質の成分を共有し、どちらもストレス下で出現し、物理的に互いに結合することができる。2018年現在、ストレス顆粒に局在することが確認されている約660のタンパク質のうち、約11%がプロセシングボディに局在するタンパク質としても同定されている（下記参照）。タンパク質G3BP1は、プロセシングボディとストレス顆粒が互いに適切にドッキングするために必要であり、これはポリアデニル化mRNAの維持に重要である可能性がある。^{[ 35 ]}

ストレス顆粒と処理体にはいくつかのタンパク質成分が共通しているものの、どちらの構造においても、タンパク質の大部分はそれぞれの構造に特異的に局在している。^{[ 36 ]}ストレス顆粒とPボディはどちらもmRNAと関連しているが、処理体はmRNAを分解することが知られているDCP1/2やXRN1などの酵素を含んでいるため、 mRNA分解の場であると長らく提唱されてきた。^{[ 37 ]}しかし、処理体に関連するmRNAは主に翻訳が抑制されているが、分解されていないことを示す研究もある。^{[ 36 ]}また、分解対象として選択されたmRNAはストレス顆粒から処理体に渡されるという説もあるが、^{[ 37 ]}処理体がストレス顆粒の形成に先行し、それを促進するというデータもある。^{[ 38 ]}

ストレス顆粒の完全なプロテオームはまだ不明ですが、ストレス顆粒に移行することが実験的に実証されているすべてのタンパク質をカタログ化する努力がなされてきました。^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}重要なことに、異なるストレス因子は、異なるタンパク質成分を持つストレス顆粒をもたらす可能性があります。^{[ 17 ]}多くのストレス顆粒関連タンパク質は、培養細胞に一時的にストレスを与え、蛍光タンパク質（緑色蛍光タンパク質（GFP）など）に融合したタンパク質を発現させるか、細胞を固定して抗体を使用して目的のタンパク質と既知のストレス顆粒のタンパク質マーカーを検出する（免疫細胞化学）ことによって、顕微鏡を使用して目的のタンパク質の局在を検出することによって同定されています。^{[ 42 ]}

2016年に、ストレス顆粒の「コア」が実験的に同定され、その後初めて生化学的に精製されました。コア内のタンパク質は、質量分析法を用いて偏りなく同定されました。この技術的進歩により、数百もの新しいストレス顆粒局在タンパク質が同定されました。^{[ 43 ] [ 25 ] [ 44 ]}

ストレス顆粒のプロテオームは、わずかに異なる 2 つの近接標識法を用いて実験的に決定されています。これらの近接標識法の 1 つはアスコルビン酸ペルオキシダーゼ(APEX) 法で、細胞はG3BP1などの既知のストレス顆粒タンパク質をAPEX と呼ばれる改変アスコルビン酸ペルオキシダーゼ酵素に融合させて発現するように操作されます。^{[ 39 ] [ 45 ]}細胞をビオチンでインキュベートし、過酸化水素で処理すると、APEX 酵素が短時間活性化され、目的のタンパク質 (この場合はストレス顆粒内の G3BP1) の近傍にあるすべてのタンパク質がビオチン化されます。ビオチン化されたタンパク質は、ストレプトアビジンを介して分離され、質量分析法を使用して同定できます。APEX 法は、ニューロンを含むいくつかの細胞タイプで、さまざまなストレス因子とともに、約 260 種類のストレス顆粒関連タンパク質を同定するために使用されました。本研究で同定された260のタンパク質のうち、約143はこれまでストレス顆粒関連であることが示されていなかった。^{[ 45 ]}

ストレス顆粒のプロテオームを決定するために使用される別の近接標識法はBioIDです。^{[ 46 ]} BioIDは、ビオチン化タンパク質（APEXの代わりにBirA*）をいくつかの既知のストレス顆粒関連タンパク質との融合タンパク質として細胞内で発現させるという点で、APEXアプローチと似ています。BirA*に近接するタンパク質はビオチン化され、その後質量分析によって同定されます。Younらはこの方法を使用して、138個のタンパク質をストレス顆粒関連タンパク質として、42個をプロセシングボディ関連タンパク質として同定/予測しました。^{[ 46 ]}

ストレス顆粒関連タンパク質の厳選されたデータベースはこちらでご覧いただけます。[ ^{41 ]​}

以下は、ストレス顆粒に局在することが実証されているタンパク質のリストです（^{[ 39 ] [ 40 ] [ 25 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]}から編集）。