分泌とは、細胞や腺から分泌される化学物質など、物質がある地点から別の地点へ移動することです。一方、排泄とは、細胞や生物から特定の物質や老廃物を除去することです。細胞分泌の古典的なメカニズムは、ポロソームと呼ばれる細胞膜上の分泌ポータルを介したものです。[1]ポロソームは細胞膜​​に埋め込まれたカップ型のリポタンパク質構造で、分泌小胞が一時的にドッキングして融合し、小胞内の内容物を細胞から放出します。

細菌種における分泌とは、エフェクター分子の輸送または転座を意味します。例えば、タンパク質、酵素、または毒素（コレラ菌などの病原性細菌におけるコレラ毒素など）を細菌細胞の内部（細胞質または細胞質）から外部へ輸送または転座させることです。分泌は、細菌が自然環境において適応と生存のために機能し、活動する上で非常に重要なメカニズムです。

真核細胞では

ポロソーム

機構

ヒト細胞を含む真核細胞は、高度に進化した分泌プロセスを有する。体外に排出されるタンパク質は、粗面小胞体（ER）にドッキングしたリボソームによって合成される。合成されたタンパク質はER内腔へ移行し、そこで糖鎖付加を受け、分子シャペロンによってタンパク質の折り畳みが促進される。ミスフォールドしたタンパク質は通常ここで同定され、ER関連分解によって細胞質へ逆転座され、そこでプロテアソームによって分解される。正しく折り畳まれたタンパク質を含む小胞は、ゴルジ体へと移行する。

ゴルジ体では、タンパク質の糖鎖修飾が修飾され、さらに切断や機能化などの翻訳後修飾を受けることがあります。その後、タンパク質は分泌小胞へと移行し、細胞骨格に沿って細胞の端まで移動します。分泌小胞ではさらなる修飾を受けることがあります（例えば、インスリンは分泌小胞内で プロインスリンから切断されます）。

最終的には、エキソサイトーシスと呼ばれるプロセスによって、小胞がポロソームで細胞膜と融合し、その内容物が細胞環境から排出されます。[2]

この配列はpH勾配によって厳密な生化学的制御を受けています。細胞質のpHは7.4、ERのpHは7.0、シスゴルジ体のpHは6.5です。分泌小胞のpHは5.0から6.0の範囲で変化します。一部の分泌小胞はリソソームへと進化し、pHは4.8になります。

非古典的な分泌

FGF1（aFGF）、FGF2（bFGF）、インターロイキン-1 （IL1）など、シグナル配列を持たないタンパク質は数多く存在します。これらのタンパク質は、古典的なER-ゴルジ体経路を利用せず、様々な非古典的な経路によって分泌されます。

少なくとも4つの非古典的（非従来的）なタンパク質分泌経路が報告されている。[3]これらには以下が含まれる：

  • 膜輸送タンパク質を介して細胞膜を横切る直接的なタンパク質輸送
  • 膨疹
  • リソソーム分泌
  • 多小胞体由来のエクソソームを介して放出される

さらに、タンパク質は機械的または生理的な傷害によって細胞から放出される可能性があり[4] 、また無血清培地または緩衝液で細胞を洗浄することによって誘導される非致死的で一時的な膜浸透孔を介して放出される可能性もあります[5] 。

人間の組織では

ヒトの多くの細胞種は分泌細胞となる能力を持っています。これらの細胞は、この機能を果たすために、よく発達した小胞体とゴルジ体を持っています。分泌物を産生する組織には、消化酵素と胃酸を分泌する消化管、界面活性剤を分泌する肺、そして皮膚と髪に潤いを与える皮脂を分泌する皮脂腺などがあります。まぶたにあるマイボーム腺は、眼を潤し保護するために マイボームを分泌します。

グラム陰性細菌では

分泌は真核生物に特有のものではなく、細菌や古細菌にも存在する。ATP結合カセット（ABC）型トランスポーターは、生命の3つのドメインに共通している。分泌タンパク質の中には、分泌タンパク質のN末端シグナルペプチドを必要とする2つの転座システムの一つであるSecYEG トランスロコンによって細胞質膜を越えて転座するものがある。その他の分泌タンパク質は、ツインアルギニン転座経路（Tat）によって細胞質膜を越えて転座する。 グラム陰性細菌は2つの膜を持つため、分泌は位相的により複雑である。グラム陰性細菌には、少なくとも6つの特殊な分泌システムが存在する。[6]

I型分泌システム（T1SSまたはTOSS）

I型分泌は、Hly遺伝子クラスターとTol遺伝子クラスターを利用するシャペロン依存性分泌システムです。このプロセスは、分泌されるタンパク質上のリーダー配列がHlyAによって認識され、膜上のHlyBに結合することから始まります。このシグナル配列はABCトランスポーターに非常に特異的です。HlyAB複合体はHlyDを刺激し、HlyDは解け始め、外膜に到達します。そこでTolCがHlyD上の末端分子またはシグナルを認識します。HlyDはTolCを内膜へリクルートし、HlyAは長いトンネルタンパク質チャネルを介して外膜外へ排出されます。

I型分泌システムは、イオン、薬物、様々なサイズのタンパク質（20～900 kDa）など、様々な分子を輸送します。分泌される分子のサイズは、大腸菌の小さなペプチドであるコリシンV（10 kDa）から、シュードモナス・フルオレッセンスの細胞接着タンパク質であるLapA（520 kDa）まで多岐にわたります。[7]最もよく特徴付けられているのは、RTX毒素とリパーゼです。I型分泌システムは、環状β-グルカンや多糖類といった非タンパク質性基質の輸送にも関与しています。

II型分泌システム（T2SS）

II型システム、すなわち一般分泌経路の主要な終末枝から分泌されるタンパク質は、ペリプラズムへの最初の輸送をSecまたはTatシステムに依存する。ペリプラズムに到達したタンパク質は、孔を形成するセクレチンタンパク質の多量体（12～14サブユニット）複合体を介して外膜を通過する。セクレチンタンパク質に加えて、10～15種類の他の内膜および外膜タンパク質が完全な分泌装置を構成しており、その多くはまだ機能が解明されていない。グラム陰性菌のIV型線毛は、その生合成にII型システムの改変版を利用しており、場合によっては、特定のタンパク質が単一細菌種内の線毛複合体とII型システム間で共有される。

III型分泌システム（T3SSまたはTTSS）

これは細菌鞭毛の基底小体と相同性がある。細菌（例えば、サルモネラ菌、赤痢菌、エルシニア菌、ビブリオ菌など）が真核細胞にタンパク質を注入するための分子注射器のような役割を持つ。細胞質中のCa 2+濃度が低いと、T3SSを調節するゲートが開く。低カルシウム濃度を検知するこのようなメカニズムの一つとして、ペスト菌（Yersinia pestis）が利用するlcrV（低カルシウム応答）抗原が挙げられる。この抗原は低カルシウム濃度を検知し、T3SSの付着を誘発する。植物病原体のHrpシステムは、同様のメカニズムでハルピンや病原体エフェクタータンパク質を植物に注入する。この分泌システムはペスト菌で初めて発見され、毒素が単に細胞外培地に分泌されるのではなく、細菌の細胞質から宿主細胞の細胞質に直接注入できることを示した。[8]

IV型分泌システム（T4SSまたはTFSS）

これは細菌の接合機構である接合線毛と相同性があり、 DNAとタンパク質の両方を輸送する能力があります。アグロバクテリウム・ツメファシエンスで発見されたこの細菌は、このシステムを利用してTiプラスミドのT-DNA部分を植物宿主に導入し、その結果、患部がクラウンゴール（腫瘍）を発症させます。ヘリコバクター・ピロリは、 IV型分泌システムを用いてCagAを胃上皮細胞に送達し、胃癌の発生と関連しています。[9]百日咳の原因菌である 百日咳菌は、部分的にIV型システムを介して百日咳毒素を分泌します。レジオネラ症（レジオネラ症）の原因菌であるレジオネラ・ニューモフィラは、icm/dot（細胞内増殖/欠陥遺伝子）システムとして知られるIVB型分泌システムを利用して、多数のエフェクタータンパク質を真核生物宿主に輸送する。 [10]典型的なIVA型分泌システムは、アグロバクテリウム・ツメファシエンスのVirB複合体である。[11]

このファミリーのタンパク質メンバーは、IV型分泌システムの構成要素であり、細菌の接合機構に祖先的に関連するメカニズムを介して、高分子の細胞内輸送を媒介する。[12] [13]

関数

IV型分泌システム（T4SS）は、細菌細胞が高分子を分泌または取り込むための一般的なメカニズムです。その正確なメカニズムは未だ解明されていません。T4SSは、細菌のグラム陰性接合因子にコードされています。T4SSは細胞膜貫通複合体、つまり11～13個のコアタンパク質から成り、DNAとタンパク質がドナー細胞の細胞質からレシピエント細胞の細胞質へ移動するためのチャネルを形成します。T4SSはまた、自然形質転換の際に培地からDNAを取り込むだけでなく、毒性因子タンパク質を宿主細胞に直接分泌します。[14]

構造

上図に示すように、特にTraCは3つのらせん状の束と緩い球状の付属物で構成されています。[13]

相互作用

T4SSには2つのエフェクタータンパク質があります。1つ目はATS-1（アナプラズマ転座基質1）で、2つ目はAnkA（アンキリンリピートドメイン含有タンパク質A）です。さらに、T4SS結合タンパク質はVirD4で、VirE2と結合します。[15]

V型分泌システム（T5SS）

オートトランスポーターシステムとも呼ばれる[16] V型分泌は、内膜を通過するためにSecシステムを利用する。この経路を利用するタンパク質は、C末端が外膜に挿入されたβバレルを形成する能力を有し、これによりペプチドの残りの部分（パッセンジャードメイン）が細胞外へ到達することができる。多くの場合、オートトランスポーターは切断され、βバレルドメインが外膜に残り、パッセンジャードメインが解放される。一部の研究者は、オートトランスポーターの残骸が、同様のβバレル構造を形成するポリンを生み出したと考えている。 [要出典]この分泌システムを利用するオートトランスポーターの一般的な例としては、三量体オートトランスポーター接着因子が挙げられる[17]。

VI型分泌システム（T6SS）

タイプVI分泌システムは、2006年にハーバード大学医学大学院（米国ボストン）のジョン・メカラノスらのグループによって、コレラ菌と緑膿菌という2つの細菌性病原体で最初に特定されました。[18] [19]これらは、コレラ菌のHcp遺伝子とVrgG遺伝子の変異によって毒性と病原性が低下したことから特定されました。それ以来、タイプVI分泌システムは、動物、植物、ヒト病原体、土壌、環境、海洋細菌など、すべてのプロテオバクテリアゲノムの4分の1で見つかっています。[20] [21]タイプVI分泌の初期の研究のほとんどは、高等生物の病原性における役割に焦点を当てていましたが、最近の研究では、単純な真核生物の捕食者に対する防御におけるより広範な生理学的役割と、細菌間相互作用における役割が示唆されています。[22] [23] VI型分泌システムの遺伝子クラスターは15個から20個以上の遺伝子から構成されており、そのうちHcpとVgrGの2つは、このシステムのほぼ普遍的な分泌基質であることが示されています。これらの遺伝子やこのシステムを構成する他のタンパク質の構造解析は、T4ファージの尾部スパイクと顕著な類似性を示しており、このシステムの活性は機能的にファージ感染に類似していると考えられています。[24]

VII型分泌システム（T7SS）

VIII型分泌システム（T8SS）

タイプIX分泌システム（T9SS）

外膜小胞の放出

グラム陰性細菌は、上記の多タンパク質複合体の利用に加えて、物質を放出する別の方法、すなわち細菌外膜小胞の形成も有する。[25]外膜の一部が剥がれ、リポ多糖類に富む脂質二重層で構成されたナノスケールの球状構造を形成し、ペリプラズム物質を囲む。この構造は、膜小胞輸送に利用され、環境を操作したり、宿主-病原体界面に侵入したりするために用いられる。多くの細菌種の小胞には毒性因子が含まれていることが分かっており、免疫調節作用を持つものもあれば、宿主細胞に直接付着して中毒させるものもある。小胞の放出はストレス条件に対する一般的な反応として実証されているが、貨物タンパク質を積み込むプロセスは選択的であると思われる。[26]

グラム陽性細菌では

一部のブドウ球菌および連鎖球菌種では、補助分泌系が高度に反復的な接着糖タンパク質の輸出を処理します。

参照

参考文献

[27]

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さらに読む

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  • ホワイトD (2000). 『原核生物の生理学と生化学』（第2版）. オックスフォード大学出版局. ISBN 978-0-19-512579-5。
  • エイボンD.「ホームページ」。細胞は生きている！
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  • 米国国立医学図書館の医学主題標目表（MeSH）における分泌物
  • T5SS / ミュンスター大学の自動車輸送車のイラスト