小胞（生物学と化学）

細胞生物学において、小胞は細胞内または細胞外の構造であり、脂質二重層に囲まれた液体または細胞質からなる。小胞は、分泌（エキソサイトーシス）、取り込み（エンドサイトーシス）、および細胞膜内での物質の輸送の過程で自然に形成される。あるいは、人工的に作られることもあり、その場合はリポソームと呼ばれる（リソソームと混同しないように）。リン脂質二重層が1つしかない場合、小胞は単層リポソームと呼ばれ、それ以外の場合は多層リポソームと呼ばれる。^[1]小胞を囲む膜も、細胞膜と同様の層状相であり、細胞内小胞は細胞膜と融合して内容物を細胞外に放出することができる。小胞は細胞内の他の細胞小器官と融合することもできる。細胞から放出された小胞は細胞外小胞と呼ばれる。

小胞は様々な機能を果たします。細胞質から分離されているため、小胞の内部を細胞質の環境とは異なる環境にすることができます。このため、小胞は細胞が細胞物質を組織化するために使用する基本的なツールです。小胞は代謝、輸送、浮力制御、^[2]、食物や酵素の一時保管に関与しています。また、化学反応室としても機能します。

2013年のノーベル生理学・医学賞は、ジェームズ・ロスマン、ランディ・シェックマン、トーマス・ズードフの3人が共同受賞した。受賞理由は、細胞小胞の構成と機能、特に酵母とヒトの細胞小胞の機能（各小胞の構成と構成方法に関する情報を含む）の解明（一部の研究は指導者らの研究に基づく）であった。小胞の機能不全は、アルツハイマー病、糖尿病、治療が難しいてんかん、一部の癌、免疫疾患、特定の神経血管疾患の一因となっていると考えられている。 [ 4 ] [ ^{5 ]}

液胞は主に水を含む細胞小器官です。^{[引用が必要]}

• 植物細胞には細胞の中心に大きな中心液胞があり、浸透圧制御と栄養素の貯蔵に使用されます。
• 収縮性液胞は、特定の原生生物、特に繊毛虫門の原生生物に見られます。これらの液胞は、浸透圧による破裂を避けるために、細胞質から水分を吸収し、細胞外に排出します。

• リソソームは細胞の消化に関与しています。食物は、エンドサイトーシスと呼ばれるプロセスによって、細胞の外から食物胞に取り込まれます。これらの食物胞はリソソームと融合し、リソソームは成分を分解して細胞内で使用できるようにします。この形態の細胞摂食は、食作用と呼ばれます。
• リソソームは、オートファジーと呼ばれるプロセスで欠陥のある細胞小器官や損傷した細胞小器官を破壊するためにも使用されます。リソソームは損傷した細胞小器官の膜と融合し、それを消化します。

• 輸送小胞は細胞内のさまざまな場所の間で分子を移動させることができます。例えば、タンパク質を粗面小胞体からゴルジ体へ移動させることができます。
• 膜結合タンパク質と分泌タンパク質は、粗面小胞体にあるリボソームで作られます。これらのタンパク質のほとんどは、最終目的地であるリソソーム、ペルオキシソーム、または細胞外に向かう前にゴルジ体で成熟します。これらのタンパク質は、輸送小胞内の細胞内を移動します。

分泌小胞には、細胞から排出される物質が含まれています。細胞が物質を排出する理由は数多くあります。理由の 1 つは老廃物を処分することです。もう 1 つの理由は、細胞の機能に関係しています。大きな生物の中には、特定の化学物質を生成するように特化している細胞があります。これらの化学物質は分泌小胞に蓄えられ、必要に応じて放出されます。

• シナプス小胞はニューロンのシナプス前末端に位置し、神経伝達物質を貯蔵します。信号が軸索を通って伝わると、シナプス小胞は細胞膜と融合して神経伝達物質を放出し、次の神経細胞の受容体分子によって検出できるようになります。
• 動物では、内分泌組織が血流にホルモンを放出します。これらのホルモンは分泌小胞内に貯蔵されます。良い例としては、膵臓のランゲルハンス島にある内分泌組織が挙げられます。この組織には、産生するホルモンによって定義される多くの細胞タイプが含まれています。
• 分泌小胞には、植物、原生生物、真菌、細菌、古細菌の細胞壁や動物細胞の細胞外マトリックスを作るのに使用される酵素が含まれています。
• 細菌、古細菌、真菌、寄生虫は、多様で特殊な毒性化合物と生化学的シグナル分子を含む膜小胞（MV）を放出し、標的細胞に輸送されて、宿主細胞への侵入や同じニッチ内の競合微生物の殺害など、微生物に有利なプロセスを開始します。^[6]

細胞外小胞（EV）は、複雑な真核生物、グラム陰性細菌とグラム陽性細菌、結核菌、真菌など、生命のあらゆる領域で生成される脂質二重層で区切られた粒子です。^{[7] [8]}

• エクトソーム/微小小胞は細胞膜から直接剥がれ落ち、その大きさは直径約30nmから1ミクロンを超えるものまであります[ 9 ^{] ：表1}）。これらには、死にゆく細胞から放出されるアポトーシスブレブなどの大きな粒子や^{[10 ] 、一部の癌細胞から放出される大きなオンコソーム、または線虫ニューロン[11  ]}やマウス心筋細胞から放出される「エクソファー」などが含まれます。
• エクソソーム：エンドサイトーシス起源の膜状小胞（直径30-100 nm）。^{[9] ：表1}

異なるタイプのEVは、密度^{[9] : 表1}（勾配分画遠心分離法による）、サイズ、または表面マーカーに基づいて分離できます。^[12]しかし、EVのサブタイプはサイズと密度の範囲が重複しており、サブタイプ固有のマーカーは細胞ごとに確立する必要があります。そのため、特定のEVが細胞を離れた後に、そのEVを生み出した生合成経路を正確に特定することは困難です。^[8]

ヒトでは、内因性細胞外小胞が凝固、細胞間シグナル伝達、老廃物管理に役割を果たしていると考えられます。^[9]また、がんを含む多くの疾患の病態生理学的プロセスにも関与しています。^[13]細胞外小胞は、細胞間コミュニケーション、アクセスしやすい体液への放出、放出細胞の分子内容との類似性などの役割から、バイオマーカー発見の潜在的な源として関心が高まっています。^[14]幹細胞のセクレトームとしても知られる（間葉系）幹細胞の細胞外小胞は、主に変性疾患、自己免疫疾患、炎症性疾患などの治療目的で研究および応用されています。^[15]

グラム陰性細菌では、EVは外膜を挟み込むことによって生成されるが、グラム陽性細菌、結核菌、真菌の厚い細胞壁からEVがどのように逃れるかはまだわかっていない。これらのEVには、核酸、毒素、リポタンパク質、酵素などさまざまな物質が含まれており、微生物の生理学や病原性において重要な役割を果たしている。宿主と病原体の相互作用において、グラム陰性細菌は小胞を生成し、これがコロニー形成のニッチを確立し、病原性因子を宿主細胞に運び、伝達し、宿主の防御と反応を調節する役割を果たす。^[16]

海洋シアノバクテリアは、タンパク質、DNA、RNAを含む小胞を外洋に継続的に放出することがわかっています。多様な細菌のDNAを運ぶ小胞は、沿岸および外洋の海水サンプルに豊富に存在します。^[17]

RNAワールド仮説は、最初の自己複製 ゲノムはRNA鎖であったと仮定している。この仮説には、RNA鎖がRNA複製を触媒できるリボザイム（折り畳まれたRNA分子）を形成したという考えが含まれている。これらの原始的な生物学的触媒は、脂肪酸と関連する両親媒性物質で構成された膜を持つ小胞（原始細胞）内に含まれていると考えられていた。 [ ^18] 脂肪酸小胞内でRNAテンプレートをコピーすることによるテンプレート指向RNA合成は、アダマタとショスタックによって実証されている。^[18]

ガス小胞は、古細菌、細菌、プランクトン性微生物によって使用され、ガス含有量と浮力を調節することで垂直移動を制御したり、太陽光を最大限に集めるために細胞を配置したりする可能性がある。これらの小胞は、通常、タンパク質でできたレモン形または円筒形のチューブです。^[19]小胞の直径によって小胞の強度が決まり、大きいほど弱くなります。小胞の直径は、その体積と浮力の効率にも影響します。シアノバクテリアでは、自然選択により、構造的に安定しながら可能な限り最大の直径の小胞が作成されました。タンパク質の皮はガスは透過しますが水は透過しないため、小胞が浸水するのを防ぎます。^[2]

マトリックス小胞は細胞外空間、つまりマトリックス内にあります。電子顕微鏡を使用して、これらは1967年にH.クラークアンダーソン^[20]とエルマノボヌッチ^[21]によって独立に発見されました。これらの細胞由来の小胞は、骨、軟骨、象牙質を含むさまざまな組織でマトリックスのバイオミネラリゼーションを開始するように特化しています。通常の石灰化の際には、カルシウムイオンとリン酸イオンが大量に細胞に流入し、細胞のアポトーシス（遺伝的に決定される自己破壊）とマトリックス小胞の形成が起こります。カルシウム負荷により、アネキシンと呼ばれるタンパク質が部分的に介在して、細胞膜内にホスファチジルセリン:カルシウム:リン酸複合体が形成されます。マトリックス小胞は、細胞外マトリックスと相互作用する部位で細胞膜から出芽します。このように、マトリックス小胞はカルシウム、リン酸、脂質、およびミネラル形成の核となるアネキシンを細胞外マトリックスに運びます。これらのプロセスは、ゴルジ体が存在しない限り、適切な場所と時間に組織のマトリックスのミネラル化をもたらすように正確に調整されています。^{[引用が必要]}

多小胞体（MVB）は、多数の小さな小胞を含む膜結合小胞である。^[22]

細胞生物学
動物細胞図
典型的な動物細胞の構成要素: 核小体 核 リボソーム（5 つのうちの 1 つの点） 小胞 粗面小胞体 ゴルジ体（またはゴルジ体） 細胞骨格 滑面小胞体 ミトコンドリア 液胞 細胞質（細胞小器官を含む液体。細胞質を構成する） リソソーム 中心体 細胞膜

一部の小胞は、膜の一部が小胞体またはゴルジ体を挟み込むことで作られます。他の小胞は、細胞外の物体が細胞膜に囲まれることで作られます。^{[引用が必要]}

小胞の「コート」は、ドナー膜の曲率を形作り、丸い小胞の形を形成するタンパク質の集合体です。コートタンパク質は、カーゴ受容体と呼ばれるさまざまな膜貫通受容体タンパク質に結合する機能も果たします。これらの受容体は、受容体を介したエンドサイトーシスまたは細胞内輸送でどの物質がエンドサイトーシスされるかを選択するのに役立ちます。

小胞コートには、クラスリン、COPI、COPIIの 3 種類があります。さまざまなタイプのコートタンパク質は、小胞を最終目的地に仕分けるのに役立ちます。クラスリンコートは、ゴルジ体と細胞膜の間、ゴルジ体とエンドソームの間、細胞膜とエンドソームの間を移動する小胞に見られます。COPI でコーティングされた小胞はゴルジ体から ER への逆行輸送を担い、COPII でコーティングされた小胞は ER からゴルジ体への順行輸送を担います。

クラスリンコートは、調節性G タンパク質に反応して組み立てられると考えられています。タンパク質コートは、 ADP リボシル化因子(ARF) タンパク質 によって組み立てられ、分解されます。

SNAREと呼ばれる表面タンパク質は小胞の積荷を識別し、標的膜上の相補的な SNARE は小胞と標的膜の融合を引き起こす働きをします。このような v-SNARES は小胞膜上に存在すると仮定されており、標的膜上の相補的な SNARE は t-SNARE として知られています。^{[引用が必要]}

多くの場合、小胞または標的膜に関連するSNAREは、v-SNAREまたはt-SNAREよりもさらにバリエーションが多いため、Qa、Qb、Qc、またはR SNAREとして分類されます。さまざまなSNARE複合体がさまざまな組織や細胞内コンパートメントで見られ、現在ヒトでは38のアイソフォームが特定されています。^[23] 調節性Rabタンパク質はSNAREの結合を検査すると考えられています。Rabタンパク質は調節性GTP結合タンパク質であり、Rabタンパク質が結合したGTPを加水分解して小胞を膜に固定するのに十分な時間、これらの相補的SNAREの結合を制御します。

植物におけるSNAREタンパク質は、真菌や動物に比べて研究が進んでいません。細胞植物学者のナターシャ・ライケルは、この分野でいくつかの基礎研究を行っており、その中には1999年のZhengらの研究があり、彼女と彼女のチームはAtVTI1aがゴルジ体⇄液胞輸送に必須であることを発見しました。^[24]

小胞融合は、完全融合またはキスアンドラン融合の 2 つの方法のいずれかで発生します。融合には、2 つの膜を互いに 1.5 nm 以内に近づける必要があります。これが発生するには、小胞膜の表面から水が排除されなければなりません。これはエネルギー的に不利であり、証拠によると、このプロセスにはATP、GTP、アセチル CoA が必要であることが示されています。融合は出芽にも関連しているため、出芽と融合という用語が生まれます。

受容体として機能する膜タンパク質は、ユビキチンの付着によってダウンレギュレーションのためにタグ付けされることがある。上記の経路でエンドソームに到達した後、小胞はエンドソーム内で形成され始め、分解されるはずの膜タンパク質を運び去る。エンドソームが成熟してリソソームになるか、リソソームと結合すると、小胞は完全に分解される。このメカニズムがなければ、膜タンパク質の細胞外部分のみがリソソームの内腔に到達し、この部分のみが分解されることになる。^[25]

これらの小胞があるため、エンドソームは多小胞体と呼ばれることもあります。その形成経路は完全には解明されていませんが、上記の他の小胞とは異なり、小胞の外表面は細胞質と接触していません。

膜小胞の生成は、細胞のさまざまな膜を調査する方法の 1 つです。生体組織を粉砕して懸濁液にすると、さまざまな膜が小さな閉じた泡を形成します。粉砕された細胞の大きな断片は低速遠心分離で除去し、その後、密度勾配内での正確な高速遠心分離によって、既知の起源 (プラズマ膜、トノプラストなど) の部分を分離できます。浸透圧ショックを使用すると、一時的に小胞を開き ( 必要な溶液で満たす )、再度遠心分離して別の溶液に再懸濁することができます。バリノマイシンなどのイオノフォアを適用すると、生体細胞内の勾配に匹敵する電気化学的勾配を作成できます。

小胞は主に 2 種類の研究で使用されます。

• ホルモンやその他の重要な物質と特異的に結合する膜受容体を発見し、単離すること。^[26]
• 特定のタイプの膜を介した様々なイオンやその他の物質の輸送を調べる。^[27]パッチクランプ技術を使用すると輸送をより簡単に調べることができますが、パッチクランプが適用できない物体から小胞を分離することもできます。

人工小胞は、サイズに基づいて3つのグループに分類されます。サイズ範囲が20〜100 nmの小型単層リポソーム/小胞（SUV）、サイズ範囲が100〜1000 nmの大型単層リポソーム/小胞（LUV）、サイズ範囲が1〜200 μmの巨大単層リポソーム/小胞（GUV）です。^[28]生細胞で見られる輸送小胞と同じサイズ範囲のより小さな小胞は、生化学および関連分野で頻繁に使用されます。このような研究では、均質なリン脂質小胞懸濁液は、押し出しまたは超音波処理、^[29]またはリン脂質溶液を水性緩衝液に急速に注入することによって調製できます。^[30]このようにして、異なるリン脂質組成、および異なるサイズの小胞の水性小胞溶液を調製できます。 GUV などの合成されたより大きな小胞は、細胞膜を模倣するために細胞生物学の試験管内研究に使用されています。これらの小胞は、従来の蛍光顕微鏡を使用して研究できるほどの大きさです。このような小胞内にタンパク質溶液などの生物学的反応物をカプセル化するさまざまな方法が存在するため、GUV は細胞のようなモデル膜環境で細胞機能を試験管内で再現 (および調査) するための理想的なシステムとなっています。^[31]これらの方法には、一貫したサイズの小胞を高収率で生産できるマイクロ流体法が含まれます。^[32]

• アルバート、ブルース、他 (1998)。細胞生物学の基本：細胞の分子生物学入門。ガーランド出版。ISBN 978-0-8153-2971-8。

• 脂質、膜、小胞輸送 - 生化学、分子生物学、細胞生物学の仮想図書館