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Summary of Cell Structure, Anatomic Correlates of Metabolic Function

著者とキュレーター。 Larry H. Bernstein, MD, FCAP

この章では、小器官の細胞内超構造、そして重要なのはその機能に関して述べてきた。 細胞の構造には無駄がない。 核には、細胞の機能を遂行するのに必要な指示がある。 真核細胞では、細胞が独自に遂行する必要性に応じて制御されるように、重要な分化が行われている。

ここで、この章のハイライトをいくつか記しておこう。

1. 細胞機能のあらゆる側面で、最も効率的に機能するために、タンパク質が構造に組み込まれて関与している。
2. エネルギー利用は酵素反応に依存し、しばしば高い原子価数の必須金属イオンが関与し、共有結合や陰イオン結合を促進し、アロステリック性に本質的な役割を担っている。

ミトコンドリア

ミトコンドリアは直径0.5～1.0μm（マイクロメートル）程度の大きさです。 この構造体は、化学エネルギー源として使用されるアデノシン三リン酸（ATP）の細胞供給の大部分を生成するため、「細胞の発電所」と表現されることがあります。 ミトコンドリアは、細胞のエネルギー供給に加え、シグナル伝達、細胞分化、細胞死、細胞周期や細胞増殖の制御など、他の仕事にも関与している。 ミトコンドリアは、ミトコンドリア障害や心機能不全など、いくつかのヒトの病気に関係している。

細胞内のミトコンドリアの数は、生物、組織、および細胞の種類によって大きく異なることがある。 例えば、赤血球にはミトコンドリアが存在しないが、肝細胞には2000個以上存在することもある。 オルガネラは、特殊な機能を担うコンパートメントから構成されている。 これらのコンパートメントまたは領域には、外膜、膜間空間、内膜、クリステおよびマトリックスが含まれる。 ミトコンドリアタンパク質は、組織や生物種によって異なる。 ミトコンドリアプロテオームは動的に制御されていると考えられている。 細胞のDNAの大部分は細胞核に含まれているが、ミトコンドリアはそれ自体独立したゲノムを有している。 さらに、そのDNAは細菌ゲノムとかなりの類似性を示している。

1913年、オットー・ハインリッヒ・ウォーバーグはモルモット肝臓の抽出物から得た粒子を「グラナ」と呼び、呼吸に関連づけた。 ヴァールブルグと、同じく同様の粒子機構を仮定していたハインリッヒ・オットー・ヴィーラントは、呼吸の化学的性質について意見が分かれた。 呼吸鎖が記述されるようになったのは、1925年にデイヴィッド・ケイリンがチトクロムを発見してからのことである。 1939年には、ミンチ状の筋肉細胞を用いた実験により、1個の酸素原子が2個のアデノシン三リン酸分子を形成することが証明され、1941年には、フリッツ・アルバート・リプマンにより、リン酸結合が細胞代謝におけるエネルギー形態であるという考え方が提唱された。 その後、細胞呼吸のメカニズムがさらに解明されていったが、ミトコンドリアとの関連は不明であった。 アルベール・クロードによる組織分画の導入により、ミトコンドリアを他の細胞分画から分離し、それだけを用いて生化学的解析を行うことができるようになった。 1946年、彼はシトクロム酸化酵素と呼吸鎖を担う他の酵素がミトコンドリアに分離されていると結論づけた。

1952年に最初の高解像度顕微鏡写真が現れ、ヤヌスグリーン染色に代わってミトコンドリアを可視化する好ましい方法として用いられるようになった。 これはミトコンドリアの構造をより詳細に分析することにつながり、ミトコンドリアが膜に囲まれていることが確認された。 さらに、ミトコンドリアの内側には、内室を仕切るように隆起して折り重なる第2の膜があること、ミトコンドリアの大きさや形は細胞によって異なることもわかった。 1967年には、ミトコンドリアにはリボソームが含まれていることが発見された。 1968年にはミトコンドリア遺伝子をマッピングする方法が開発され、1976年に酵母ミトコンドリアの遺伝的・物理的地図が完成した。

ミトコンドリアにはリン脂質二重膜とタンパク質からなる外膜と内膜が存在する。 この2つの膜はそれぞれ異なる性質を持っている。 この二重膜構造のため、ミトコンドリアには5つの異なる部分が存在する。

1. ミトコンドリア外膜、
2. 膜間空間（外膜と内膜の間の空間）、
3. ミトコンドリア内膜、
4. クリステ空間（内膜の折り重なりで形成）、
5. マトリクス（内膜内の空間）である。

ミトコンドリアの外膜を取り除いたものをミトプラストと呼びます。

ミトコンドリアの超構造（インタラクティブ・ダイアグラム） ミトコンドリアは二重膜を持っていて、内側には化学発光装置があり、深い溝があって表面積が大きくなっています。 一般にミトコンドリアは「オレンジ色のソーセージの中に塊がある」ように描かれていますが、様々な形をしており、膜間スペースは非常に薄いです。 ミトコンドリア周囲腔とも呼ばれる。 外膜は小分子に対して自由に透過するため、膜間空間のイオンや糖などの小分子の濃度は細胞質内と同じである。 しかし、大きなタンパク質は、特定のシグナル配列を持たないと外膜を通過して輸送されないため、この空間のタンパク質組成は細胞質とは異なっている。 このように膜間空間に局在するタンパク質のひとつに、シトクロムcがある。

ミトコンドリア内膜には5種類の機能を持つタンパク質が存在する：

1. 酸化的リン酸化の酸化還元反応を行うもの
2. ATP合成酵素は、マトリックスでATPを生成する
3. 特異的輸送タンパク質でマトリックスの出入りの代謝物を調節する
4. タンパク質輸入機械。
5. ミトコンドリア融合・分裂タンパク質

151種類以上のポリペプチドを含み、タンパク質とリン脂質の比率が非常に高い（重量比で3：1以上、これはリン脂質15に対してタンパク質1程度である）。 内膜には、ミトコンドリア全体のタンパク質の約1/5が存在する。 さらに、内膜にはカルジオリピンという珍しいリン脂質が豊富に含まれている。 このリン脂質は、1942年に牛の心臓から発見されたもので、通常はミトコンドリアや細菌の細胞膜に特徴的に存在する。 カルジオリピンは脂肪酸を2つではなく4つ含んでおり、内膜を不透過性にするのに役立つと考えられている。 外膜と異なり、内膜にはポリンが存在せず、あらゆる分子に対して高い不透過性を持つ。 ほとんどすべてのイオンと分子は、マトリックスに出入りするために特別な膜輸送体を必要とする。 タンパク質は、内膜トランスロケース（TIM）複合体やOxa1を介してマトリックスに運び込まれる。 さらに、電子輸送連鎖の酵素の作用によって形成される内膜を横切る膜電位がある。

ミトコンドリア内膜は多数のクリスターに区画され、内膜の表面積を広げ、ATP生成能力を向上させる。 典型的な肝臓のミトコンドリアでは、内膜の面積は外膜の5倍程度である。 この比率にはばらつきがあり、筋肉細胞などATPの要求量が多い細胞のミトコンドリアは、さらに多くのクリステーを含んでいる。 これらのヒダには、F1粒子やオキシソームと呼ばれる小さな丸い体がちりばめられている。 これらは、単なるランダムなひだではなく、内膜の侵襲であり、全体の化学浸透圧機能に影響を与える可能性がある。 最近のある数学的モデリング研究では、糸状ミトコンドリアにおけるクリステの光学的特性が組織内の光の発生と伝播に影響を与える可能性が示唆されている

マトリックスは内膜に囲まれた空間である。 ミトコンドリア内の全タンパク質の約2/3が含まれている。 このマトリックスには、小胞体側ではホスファチジルセリン合成酵素、ミトコンドリア側ではホスファチジルセリン脱炭酸酵素などの脂質生合成に関わる酵素が豊富に含まれており、ミトコンドリアにとって重要である。 ミトコンドリアは常に分裂と融合を繰り返しているダイナミックなオルガネラであるため、膜の完全性を保つためには、常に制御されたリン脂質の供給が必要である。 しかし、ミトコンドリアは合成を終えたリン脂質の供給先というだけでなく、リン脂質生合成経路の中間体や生成物のオルガネラ間輸送、セラミドやコレステロールの代謝、内膜に含まれるATP合成酵素によるスフィンゴ糖脂質アナボリスムのATP生産などの役割も担っている。 このマトリックスには、数百種類の酵素、特殊なミトコンドリアリボソーム、tRNA、およびミトコンドリアDNAゲノムの数コピーが高濃度に混合されている。 酵素のうち、主な機能はピルビン酸や脂肪酸の酸化、クエン酸サイクルである。

細胞内分画から精製したMAMには、Ca2+シグナルに関連するチャネルに加えて、リン脂質の交換に関わる酵素が豊富に含まれていることが示された。 ミトコンドリア関連小胞体膜（MAM）もまた、細胞生理学や恒常性維持に重要な役割を果たす構造要素であることが次第に認識されるようになってきた。 かつて、細胞分画の技術的な障害と考えられていた、ミトコンドリア画分中に必ず出現するER小胞のコンタミは、ミトコンドリアとERの境界であるMAM由来の膜状構造であると再認識されてきた。 この2つのオルガネラの物理的結合は、以前から電子顕微鏡で観察されていたが、最近では蛍光顕微鏡で観察されている。 このような研究により、ミトコンドリア外膜の最大20%を占めると思われるMAMにおいて、ERとミトコンドリアはわずか10-25 nmで分離され、タンパク質テザー複合体によって一緒に保持されていると推定される。

こうした輸送能力は、MAMに依存しており、オルガネラ間の脂質中間体の輸送を促進することが示されてきた。 標準的な脂質輸送の小胞メカニズムとは対照的に、MAMにおける小胞体膜とミトコンドリア膜の物理的近接性によって、対向する二重層間で脂質が反転することが可能であることを示す証拠が得られている。 このように特殊でエネルギー的に不利に見える機構にもかかわらず、このような輸送にはATPが必要ない。 その代わりに、酵母では、ER-ミトコンドリア会合構造（ERMES）と呼ばれる多タンパク質の繋留構造に依存していることが示されている。この構造が直接脂質輸送を媒介するのか、それとも脂質反転のエネルギー障壁を下げるために膜を十分に近接させる必要があるのかはまだ不明である。

カルシウムシグナル伝達における小胞体の重要な役割は、ミトコンドリアの役割が広く認められるようになる以前から認められていたが、それはミトコンドリア外膜に局在するCa2+チャネルの低い親和性が、細胞内のCa2+フラックスの変化に対する小胞体の反応性と相反するように思えたためである。 しかし、MAMの存在により、この矛盾が解消された。2つの細胞小器官が物理的に密接に結合しているため、接触点にはCa2+マイクロドメインが生じ、ERからミトコンドリアへのCa2+伝達が効率的に行われるようになったのである。 この伝達は、ER膜のCa2+チャネルであるIP3Rの自発的なクラスター化と活性化によって生じるいわゆる「Ca2+パフ」に応答して起こる。

ER膜に存在するCa2+ポンプSERCAとチャネルIP3Rの特性により、MAM機能によって調整されるフィードバック制御が促進される。 特に、Ca2+がIP3Rの活性を二相性に変化させるため、MAMによるCa2+のクリアランスはCa2+シグナルの時空間的なパターニングを可能にする。 SERCAも同様にミトコンドリアのフィードバックに影響される。MAMによるCa2+の取り込みはATP産生を刺激し、SERCAがMAMでのCa2+流出を継続するためにERにCa2+をリロードするためのエネルギーを供給することになるのである。

ミトコンドリアと細胞の恒常性を維持するためには、MAMでのERからのCa2+放出の調節は特に重要である。 クエン酸サイクルのフラックスに重要なデヒドロゲナーゼ酵素を活性化し、代謝を促進するためには、十分な器官内Ca2+シグナルが必要である。 しかし、ミトコンドリア内のCa2+シグナルがある閾値を超えると、代謝に必要なミトコンドリア膜電位を崩壊させることによって、一部はアポトーシスの内在性経路を刺激するようになる。 例えば、抗アポトーシス因子であるBcl-2は、IP3Rと相互作用してERのCa2+充填量を減らし、MAMでの流出を抑えて、アポトーシス刺激後のミトコンドリア膜電位の崩壊を防ぐことが明らかにされている。 このようなCa2+シグナルの細かい制御の必要性を考えると、ミトコンドリアCa2+の制御異常がいくつかの神経変性疾患に関与していることは当然であろう。一方、腫瘍抑制物質のカタログには、MAMに濃縮されているものがいくつか含まれている。

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リソソームとアポトーシス

癌におけるオートファジーの役割

R Mathew, V Karantza-Wadsworth & E White

Nature Reviews Cancer 7, 961-967 (Dec 2007) | http://dx.doi.org:/10.1038/nrc2254

オートファジーは損傷または過剰の蛋白質やオルガネラを消去する細胞内分解経路である。 これらの細胞内成分の再利用は、代謝ストレスのある時期に代替エネルギー源として機能し、恒常性と生存率を維持する。 アポトーシスに欠陥のある腫瘍細胞では、オートファジーによって生存期間が延長されます。 逆説的ですが、オートファジーの欠陥は腫瘍形成の増加と関連していますが、そのメカニズムは解明されていません。 最近の証拠では、オートファジーは腫瘍の壊死や炎症を抑える保護機能を提供し、代謝ストレスに応答して腫瘍細胞のゲノム損傷を軽減することが示唆されている。

Sustained Activation of mTORC1 in Skeletal Muscle Inhibits Constitutive and Starvation-Induced Autophagy and Causes a Severe, Late Onset Myopathy

P Castets, S Lin, N Rion, S Di Fulvio, et al.
cell-metabolism 7 May, 2013; 17(5): p731-744 http://dx.doi.org/10.1016/j.cmet.2013.03.015

• mTORC1 inhibition is required for constitutive and starvation-> http://dx.doi.org/10.1016/j.cmet.2013.03.015P Castets, Lin, Nion, S Diulvio, et al.4955>
• mTORC1 の活性化が持続すると、オートファジーの障害により重篤なミオパチーが引き起こされる
• TSC1 枯渇は他の刺激に関係なく mTORC1 を活性化するのに十分である
• mTORC1 4955>

オートファジーは、恒常的な細胞クリアランスを保証する異化プロセスであり、ますます多くの筋病理学的状態において制御不能になっている。 FoxO3は骨格筋においてオートファジー関連遺伝子の発現を促進することが示されたが，オートファジーを誘発する機構は不明である。 我々は、mTORC1の持続的な活性化を特徴とするTSC1欠損マウス（TSCmKO）が、オートファジーの障害に関連した遅発性筋疾患を発症することを明らかにした。 TSCmKOの若いマウスでは、

• 恒常的な飢餓によるオートファジーが、
• mTORC1によるUlk1の阻害を介して、FoxO3の活性化にもかかわらず誘導段階からブロックされた。

ラパマイシンはTSCmKOマウスのオートファジーを回復するのに十分であり、

• 古い突然変異マウスの筋肉の表現型を改善する。

逆に、ラプトールの枯渇によるmTORC1シグナルの阻害はFoxO阻害と関係なくオートファジーを誘導する。

したがって、mTORC1は骨格筋におけるオートファジー誘導の支配的な制御因子であり、

• 代謝経路の密接な調整を行う。

これらの発見は、オートファジー関連の筋疾患に向けた治療戦略の興味深い道筋を開くと考えられる。

Histone deacetylases 1 and 2 regulate autophagy flux and skeletal muscle homeostasis in mice

HDAC1 activates FoxO and is both sufficient and required for skeletal muscle atrophy

Beharry, PB. サンデサラ、BM． Roberts, et al.
J. Cell Sci. Apr 2014 127 (7) 1441-1453 http://dx.doi.org:/10.1242/jcs.136390

フォークヘッドボックスO（FoxO）転写因子は、筋肉の廃用やがん悪液質を含むいくつかの病態生理学的状態において活性化し、筋萎縮に必要である。 しかし、FoxOが活性化するメカニズムはよくわかっていない。 私たちの研究室や他の研究室からの最近のデータでは、FoxOの活性は基礎状態では可逆的なリジンアセチル化によって抑制されているが、

そこで、ヒストン脱アセチル化酵素（HDAC）タンパク質が

• FoxOの活性化と筋肉萎縮プログラムの誘導にどう貢献するかを明らかにしようと考えた。

HDAC活性をブロックする様々な薬理学的阻害剤を用いて、

• class I HDACが、栄養欠乏と骨格筋廃用時の両方で、FoxOと筋萎縮プログラム
• の鍵となる制御因子であることを証明した。

さらに、野生型およびドミナントネガティブHDAC1発現プラスミドを用いて、

• HDAC1がin vivoでFoxOを活性化して筋線維萎縮を引き起こすのに十分であり、
• 筋廃用に伴う筋線維の萎縮に必要なことを証明した。

筋萎縮を引き起こすHDAC1の能力は、その脱アセチル化活性を必要とし、

• HDAC1によるいくつかの萎縮遺伝子の誘導に関連しており、その中にはFoxO3aの脱アセチル化を必要とするアトロジン-1を含んでいる。

さらに、MS-275を用いた、筋肉の廃用中のクラスI HDACの薬理学的阻害は、廃用中の筋線維の萎縮と収縮機能障害の両方を有意に減退させた。

これらのデータは、筋萎縮プログラムにおけるクラスI HDACの重要性を強固にし、

• クラスI HDAC阻害剤が筋萎縮および筋力低下を妨げるための実行可能な対策であることを示唆しています。

オートファジーは細胞の恒常性において重要な役割を果たし、

• このプロセスががん細胞において制御不能であるという証拠があります。

最近のin vitro前臨床研究では、オートファジーが

• 化学療法に対する細胞毒性反応に関与していると指摘されている甲状腺がん細胞。

実際、甲状腺発がん

• に関与するいくつかの癌遺伝子およびオンコサプレッサー遺伝子もオートファジーの制御に役割を果たす。

さらに、甲状腺発がんに関わるいくつかのエピジェネティックモデュレーターもオートフードに影響を与える。 このレビューでは、甲状腺発癌とオートファジーを機械的に関連付ける

• 遺伝的およびエピジェネティックな因子を強調し、したがって、侵攻性および放射線化学療法抵抗性の甲状腺癌のオートファジー標的治療の
• 根拠を立証している。