Molecular Cell Biology · 32

オートファジーの種類・機構・役割

Types, mechanism and role of autophagy

🧠 オートファジー（「自分を食べること」）は、リソソームという「胃酸のように酸性の分解工場factories工場（factories）factories（工場）」を使って細胞が飢餓starvation飢餓（starvation）starvation（飢餓）を生き延びる仕組みであり、3つの様式（マクロ・ミクロ・シャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）媒介性）は「何を」「どうやって」リソソームへ運ぶかで区別される。マクロオートファジーmacroautophagyマクロオートファジー（macroautophagy）macroautophagy（マクロオートファジー）は大きな貨物ごと膜で包んで運び、ミクロオートファジーmicroautophagyミクロオートファジー（microautophagy）microautophagy（ミクロオートファジー）はリソソーム膜を直接陥入させて飲み込み、シャペロン媒介性オートファジーchaperone-mediated autophagy (CMA)シャペロン媒介性オートファジー（chaperone-mediated autophagy (CMA)）chaperone-mediated autophagy (CMA)（シャペロン媒介性オートファジー）はタンパク質を1つずつ選んで膜を通過させる——これは「バルク輸送」から「一分子ずつの精密輸送」へと選択性が段階的に高まる3段階として理解できる。

オートファジーとは

オートファジー（「自食」）とは、細胞がストレス状態（飢餓starvation飢餓（starvation）starvation（飢餓））に置かれ、リソソーム分解による高分子のリサイクルから栄養素を産生できる状態を指す。オートファジー経路は、細胞質タンパク質・細胞小器官organelles細胞小器官（organelles）organelles（細胞小器官）がリソソーム内部により分解の標的とされることを可能にする。オートファジーは大きな物体（高分子、大きなタンパク質凝集体、細胞小器官organelles細胞小器官（organelles）organelles（細胞小器官）全体）を除去できる。

オートファジーの欠陥は、細胞が不要なタンパク質凝集体や異常タンパク質を除去できなくすることがあり、感染性疾患から神経変性疾患neurodegenerative disease神経変性疾患（neurodegenerative disease）neurodegenerative disease（神経変性疾患）・癌に至るまでの疾患に寄与しうる。

リソソーム：分解のコンパートメント

膜に包まれた細胞小器官organelles細胞小器官（organelles）organelles（細胞小器官）で、高分子を消化する可溶性加水分解酵素Hydrolase加水分解酵素（Hydrolase）Hydrolase（加水分解酵素）を満たしている。リソソームは約40種類の加水分解酵素Hydrolase加水分解酵素（Hydrolase）Hydrolase（加水分解酵素）を含む（ERに由来）。全て酸性ヒドロラーゼhydrolaseヒドロラーゼ（hydrolase）hydrolase（ヒドロラーゼ）であり、酸性pHで最もよく働く。至適活性を得るには、まずタンパク質分解proteolysisタンパク質分解（proteolysis）proteolysis（タンパク質分解）的切断により活性化される必要がある（そうでなければ細胞は死ぬ）——これにも酸性環境を要する。

リソソームはこの酸性環境を提供し、内部pHを約5に維持する。リソソーム膜のATPase（V型）が、ATP加水分解のエネルギーを用いてH⁺をリソソーム内へ汲み入れる。

オートファジーの種類

オートファジーは：

非選択的オートファジー： 細胞質のバルク部分がオートファゴソームautophagosomeオートファゴソーム（autophagosome）autophagosome（オートファゴソーム）（cytosolic materialを包み込む二重膜細胞小器官organelles細胞小器官（organelles）organelles（細胞小器官））に隔離される。外部栄養素が制限される飢餓状態starvation飢餓状態（starvation）starvation（飢餓状態）で起こりうる
選択的オートファジー： 特定の貨物がオートファゴソームautophagosomeオートファゴソーム（autophagosome）autophagosome（オートファゴソーム）へ包装され、含まれる細胞質はわずかである。老朽化/不要になったミトコンドリア・ペルオキシソームperoxisomeペルオキシソーム（peroxisome）peroxisome（ペルオキシソーム）・リボソーム・ERの分解を媒介する

活性化

オートファジーは調節された過程であり、様々なストレスにより活性化される：

栄養素欠乏（飢餓starvation飢餓（starvation）starvation（飢餓）、絶食、単一の必須アミノ酸essential amino acid必須アミノ酸（essential amino acid）essential amino acid（必須アミノ酸）の欠如でさえも）
感染（侵入する細胞内病原体）
タンパク質毒性ストレス（発熱）
細胞小器官organelles細胞小器官（organelles）organelles（細胞小器官）の損傷・機能不全（ミトコンドリア）

機能

栄養素欠乏下での生存：卵母細胞oocyte卵母細胞（oocyte）oocyte（卵母細胞）、新生児、飢餓状態starvation飢餓状態（starvation）starvation（飢餓状態）の成人
損傷・老朽化した細胞成分のターンオーバー
腫瘍抑制——細胞を破壊するため
抗原提示

⭐ 長寿に関与する主要な機構であり、加齢関連疾患に関わる——オートファジーは加齢とともに減少し、老化中の損傷高分子・細胞小器官organelles細胞小器官（organelles）organelles（細胞小器官）の蓄積（想起retrieval想起（retrieval）retrieval（想起）：リポフスチンlipofuscinリポフスチン（lipofuscin）lipofuscin（リポフスチン）、lipofuscin！）に寄与する。

オートファジーの3種類

マクロオートファジーmacroautophagyマクロオートファジー（macroautophagy）macroautophagy（マクロオートファジー）
ミクロオートファジーmicroautophagyミクロオートファジー（microautophagy）microautophagy（ミクロオートファジー）
シャペロン媒介性オートファジーchaperone-mediated autophagy (CMA)シャペロン媒介性オートファジー（chaperone-mediated autophagy (CMA)）chaperone-mediated autophagy (CMA)（シャペロン媒介性オートファジー）

1. マクロオートファジー

細胞が細胞質の一部（アグリソームaggresomeアグリソーム（aggresome）aggresome（アグリソーム）、aggresome）を取り囲む二重膜小胞membrane vesicle膜小胞（membrane vesicle）membrane vesicle（膜小胞）——オートファゴソームautophagosomeオートファゴソーム（autophagosome）autophagosome（オートファゴソーム）を形成する過程であり、主に損傷した細胞小器官organelles細胞小器官（organelles）organelles（細胞小器官）や不要なタンパク質の除去に用いられる。

オートファジーは飢餓starvation飢餓（starvation）starvation（飢餓）などの生理的ストレス条件下で上方調節される。飢餓starvation飢餓（starvation）starvation（飢餓）に対する緩衝材として機能する——高分子を栄養素として再利用し、細胞成分から構成材料とエネルギー源を遊離する能力を持つためである。

オートファジー経路は、細胞質の一領域または細胞小器官organelles細胞小器官（organelles）organelles（細胞小器官）全体（例：ミトコンドリア）を包み込む平坦なカップ状の二重膜構造の形成から始まり、オートファゴソームautophagosomeオートファゴソーム（autophagosome）autophagosome（オートファゴソーム）を形成する。オートファゴソームautophagosomeオートファゴソーム（autophagosome）autophagosome（オートファゴソーム）膜は脂質二重層lipid bilayer脂質二重層（lipid bilayer）lipid bilayer（脂質二重層）であり、その外膜はリソソームと融合できる。リソソーム膜のアミノ酸パーミアーゼpermeaseパーミアーゼ（permease）permease（パーミアーゼ）がその後、新規タンパク質合成に用いるための遊離アミノ酸の細胞質への輸送を可能にする。

特徴：

バルクな細胞成分の分解
単なるタンパク質分解proteolysisタンパク質分解（proteolysis）proteolysis（タンパク質分解）ではない（全ての分子がターンオーバーされる——継続的な更新）
飢餓starvation飢餓（starvation）starvation（飢餓）初期（30分〜8時間）に活性化される
オートファゴソームautophagosomeオートファゴソーム（autophagosome）autophagosome（オートファゴソーム）はアグリソームaggresomeアグリソーム（aggresome）aggresome（アグリソーム）の周囲に形成される

アグリソームaggresomeアグリソーム（aggresome）aggresome（アグリソーム）とは、細胞のタンパク質分解proteolysisタンパク質分解（proteolysis）proteolysis（タンパク質分解）系が過負荷overload過負荷（overload）overload（過負荷）になったときに形成される、細胞内の誤フォールディングタンパク質の凝集を指す。アグリソームaggresomeアグリソーム（aggresome）aggresome（アグリソーム）形成は高度に調節された過程であり、誤フォールディングタンパク質を単一の場所へ組織化する役割を持つ可能性がある。アグリソームaggresomeアグリソーム（aggresome）aggresome（アグリソーム）はオートファジーの標的となる。

オートファゴソームの形成と融合

flowchart TD
  A["開始：シグナル分子活性化、<span class='jp-term jp-term-diagram' title='protein kinase'>プロテインキナーゼ</span>活性化（ULK1キナーゼ複合体）"] --> B["小胞<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nucleation'>核形成</span>：ULK1がBeclin1をリン酸化→PIP3タンパク質動員→膜が成長"]
  B --> C["小胞伸長（結合）：膜の伸長＋LC3タンパク質が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='adaptor protein'>アダプタータンパク質</span>に結合し貨物を取り込む"]
  C --> D["融合：成熟・閉鎖した<span class='jp-term jp-term-diagram' title='autophagosome'>オートファゴソーム</span>が核周辺位置へ輸送されリソソームと融合（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='SNARE protein'>SNAREタンパク質</span>が触媒）→オートリソソーム"]
  D --> E["小胞の分解：貨物の分解"]

開始： シグナル分子の活性化による開始——プロテインキナーゼprotein kinaseプロテインキナーゼ（protein kinase）protein kinase（プロテインキナーゼ）が活性化されオートファジー装置（ULK1キナーゼ複合体）にシグナルを送る
小胞核形成nucleation核形成（nucleation）nucleation（核形成）： ULK1がBeclin1をリン酸化し、これが最終的にPIP3タンパク質を動員するタンパク質を動員する→膜が成長する
小胞伸長（結合）： 膜の伸長＋LC3タンパク質——貨物を内部に運び込むアダプタータンパク質adaptor proteinアダプタータンパク質（adaptor protein）adaptor protein（アダプタータンパク質）に結合する
融合： 成熟・閉鎖したオートファゴソームautophagosomeオートファゴソーム（autophagosome）autophagosome（オートファゴソーム）が核周辺位置へ輸送され、そこでリソソームと融合する（SNAREタンパク質SNARE proteinSNAREタンパク質（SNARE protein）SNARE protein（SNAREタンパク質）が触媒）→オートリソソーム
小胞の分解： 貨物の分解

2. ミクロオートファジー

細胞質中の貨物（細胞小器官organelles細胞小器官（organelles）organelles（細胞小器官）または基質タンパク質）がリソソーム膜の陥入（内側への折り込み）によりリソソームに捕捉されるオートファジーの型。構成的constitutive構成的（constitutive）constitutive（構成的）過程だが、飢餓starvation飢餓（starvation）starvation（飢餓）/絶食に応じて誘導される。細胞質物質のリソソームへの直接的な取り込みを伴う。

機能：

マクロオートファジーmacroautophagyマクロオートファジー（macroautophagy）macroautophagy（マクロオートファジー）同様、飢餓starvation飢餓（starvation）starvation（飢餓）下での細胞生存のための栄養素リサイクルに必要
窒素制限
グリコーゲンのリソソームへの送達機構の1つ

3. シャペロン媒介性オートファジー

可溶性細胞質タンパク質のシャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）依存性選別を指し、これがリソソームへ標的化され、分解のためにリソソーム膜を直接横断して転位される。

このタイプのオートファジーのユニークな特徴は、この経路により分解されるタンパク質の選択性と、追加の小胞形成を必要としないこれらのタンパク質のリソソーム膜を横断する直接的なシャトリングである。他のオートファジーと異なり、タンパク質物質を1つずつの様式で転位させ、リソソーム関門を通過するものについて極めて選択的である。

構成的constitutive構成的（constitutive）constitutive（構成的）に活性であり、より後期（10〜30時間）の飢餓starvation飢餓（starvation）starvation（飢餓）でさらに活性化される。

機能： プロテオスタシスproteostasisプロテオスタシス（proteostasis）proteostasis（プロテオスタシス）＋アミノ酸リサイクル

基質： KFERQ様アミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）——Hsc70（70kDaの熱ショック同族タンパク質、heat shock cognate protein）の認識部位であり、基質をリソソーム表面へ標的化し細胞質シャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）の結合を可能にする。

CMAの段階：

Hsc70による基質（KFERQ様アミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列））の認識、細胞質中でのCMA基質-シャペロン複合体chaperone complexシャペロン複合体（chaperone complex）chaperone complex（シャペロン複合体）の形成
この複合体がリソソーム関連膜タンパク質lysosome-associated membrane protein (LAMP-2A)リソソーム関連膜タンパク質（lysosome-associated membrane protein (LAMP-2A)）lysosome-associated membrane protein (LAMP-2A)（リソソーム関連膜タンパク質）——この経路の受容体として機能する——に結合する
リソソーム関連膜タンパク質lysosome-associated membrane protein (LAMP-2A)リソソーム関連膜タンパク質（lysosome-associated membrane protein (LAMP-2A)）lysosome-associated membrane protein (LAMP-2A)（リソソーム関連膜タンパク質）受容体による認識後、基質タンパク質は巻き戻り、Hsc70シャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）の助けを借りてリソソーム膜を横断して転位される
転位後、基質タンパク質はリソソームプロテアーゼlysosomal proteaseリソソームプロテアーゼ（lysosomal protease）lysosomal protease（リソソームプロテアーゼ）により急速に分解される

⭐ CMAはストレス因子と細胞栄養状態Malnutrition or obesity栄養状態（Malnutrition or obesity）Malnutrition or obesity（栄養状態）の変化に応じて最大限に活性化される。

細胞代謝とオートファジーの関係（発展）

オートファジーは自己共食い（self-cannibalization）の過程である。生じた分解産物は細胞代謝への入力となり、それを通じてエネルギーと新しい構成要素の生成に用いられる。

細胞恒常性の原理は、細胞が生存可能viable生存可能（viable）viable（生存可能）な条件を維持するために内的・外的刺激に絶えず応答しなければならないことを意味する。細胞は生存に十分な栄養素・エネルギー供給を維持するため様々な機構を用いる必要がある。細胞代謝の変化と同様に、オートファジーの過程は細胞ストレス/飢餓starvation飢餓（starvation）starvation（飢餓）への応答として進化してきた。

活発な免疫応答中、応答する細胞は恒常性の基準点reference point基準点（reference point）reference point（基準点）から劇的に移行する対象となる→細胞は免疫学的侵襲を解決するため、外来因子を認識・貪食・処理しなければならない。

調節された期間の絶食はオートファジーを促進しうる。アポトーシスの代わりに、細胞はオートファジーを開始する——これにより細胞は最も利用可能な物質を先に取り込むため、細胞残骸を除去できる。

まとめ

オートファジーはリソソーム（酸性ヒドロラーゼhydrolaseヒドロラーゼ（hydrolase）hydrolase（ヒドロラーゼ）による分解、内部pH約5）を介した高分子・細胞小器官organelles細胞小器官（organelles）organelles（細胞小器官）のリサイクル機構であり、栄養素欠乏・感染・タンパク質毒性ストレス・細胞小器官organelles細胞小器官（organelles）organelles（細胞小器官）損傷により活性化される。
マクロオートファジーmacroautophagyマクロオートファジー（macroautophagy）macroautophagy（マクロオートファジー）（ULK1→Beclin1/PIP3→LC3を介したオートファゴソームautophagosomeオートファゴソーム（autophagosome）autophagosome（オートファゴソーム）形成→リソソーム融合）は非選択的なバルク分解を担い、飢餓starvation飢餓（starvation）starvation（飢餓）初期（30分〜8時間）に活性化される。
ミクロオートファジーmicroautophagyミクロオートファジー（microautophagy）microautophagy（ミクロオートファジー）はリソソーム膜の直接陥入により細胞質物質を取り込む構成的constitutive構成的（constitutive）constitutive（構成的）過程であり、CMAはKFERQ様配列・Hsc70・リソソーム関連膜タンパク質lysosome-associated membrane protein (LAMP-2A)リソソーム関連膜タンパク質（lysosome-associated membrane protein (LAMP-2A)）lysosome-associated membrane protein (LAMP-2A)（リソソーム関連膜タンパク質）を介して基質タンパク質を1つずつ選択的にリソソームへ転位させる（10〜30時間の飢餓starvation飢餓（starvation）starvation（飢餓）で最大活性化）。
オートファジーは長寿・腫瘍抑制・抗原提示に関与し、加齢とともに機能が低下することが老化性疾患の一因となる。