タンパク質分泌経路；小胞輸送の調節におけるRabサイクルの役割

🧠 小胞輸送vesicular transport小胞輸送（vesicular transport）vesicular transport（小胞輸送）は「誰が積み荷を選ぶか」（コートタンパク質：クラスリン／COP-I／COP-II、それぞれ輸送方向が固定）と「誰が正しい相手とだけ融合させるか」（Rabサイクル）という2つの独立した問題を解く仕組みである。 コートタンパク質は膜を球状spherical球状（spherical）spherical（球状）に変形させ積み荷を選別するだけで、行き先の正しさまでは保証しない——その特異性を担保するのがRab（GDP/GTPスイッチ）であり、Rab-GTPが標的膜上のテザリングtetheringテザリング（tethering）tethering（テザリング）タンパク質（＝Rabのエフェクター）とだけ結合することで、SNARE同士のペアリングと最終的な膜融合membrane fusion膜融合（membrane fusion）membrane fusion（膜融合）という後戻りできないステップへと進む。ARF1（COP-I）とSar1（COP-II）もRabと同じ「GDP/GTPスイッチ」という共通言語を使っており、この単元全体は結局のところ「GTPaseスイッチが輸送の各段階に特異性を与える」という1つの原理の繰り返しである。

小胞輸送の必要性

タンパク質は小胞を介して輸送・分泌される。全ての細胞は形質膜plasma membrane形質膜（plasma membrane）plasma membrane（形質膜）（PM）に囲まれ、これが細胞質と細胞外マトリックスextracellular matrix (ECM)細胞外マトリックス（extracellular matrix (ECM)）extracellular matrix (ECM)（細胞外マトリックス）を分離している。真核細胞eukaryote真核細胞（eukaryote）eukaryote（真核細胞）はまた膜によって細胞内区画intracellular compartment細胞内区画（intracellular compartment）intracellular compartment（細胞内区画）＝オルガネラへ分離されている。細胞内区画intracellular compartment細胞内区画（intracellular compartment）intracellular compartment（細胞内区画）と細胞外マトリックスextracellular matrix (ECM)細胞外マトリックス（extracellular matrix (ECM)）extracellular matrix (ECM)（細胞外マトリックス）の間のコミュニケーションcommunicationコミュニケーション（communication）communication（コミュニケーション）は維持されなければならず、これは輸送機構によって達成される：

• 拡散（ガス分子、小さな非極性Nonpolar非極性（Nonpolar）Nonpolar（非極性）分子）
• タンパク質媒介性の膜貫通輸送（膜貫通チャネル/受容体による）
• 小胞輸送vesicular transport小胞輸送（vesicular transport）vesicular transport（小胞輸送）

小胞輸送とは

膜で囲まれた区画間の輸送——細胞外環境と細胞内環境の間の輸送を含む。

• 常にドナー膜（＋融合が生じるターゲット膜）を必要とする
• 異なる区画の機能を維持するために必要である（例：リソソームは加水分解酵素Hydrolase加水分解酵素（Hydrolase）Hydrolase（加水分解酵素）を要する。これらが届けられなければ、リソソームはその機能を実行できない）
• 小胞輸送vesicular transport小胞輸送（vesicular transport）vesicular transport（小胞輸送）の特異性は非常に重要である：
  • 何を、どこへ輸送するかについて特異的である必要がある
  • 特異性の理由は区画の性格にあり、これは主に膜で囲まれた空間の組成によって定義される
  • 膜はマーカーによって助けられており、これが入ってくる交通を導く——小胞が正しい区画とのみ融合することを保証する

小胞形成の段階

1. コートタンパク質（クラスリン、COP-I、COP-II）が膜に集合すると、脂質二重層lipid bilayer脂質二重層（lipid bilayer）lipid bilayer（脂質二重層）を曲げ始めさせる
2. 膜に集まる際、コートタンパク質は形成中の小胞へ包装される積み荷を選択することもある
3. さらにコートタンパク質が加わると、周囲の膜を球状spherical球状（spherical）spherical（球状）に成形する
4. 被覆小胞がくびれ切れると、コートが外れ、積み荷で満たされた小胞が目的地へ向かう準備が整う

タンパク質コート

3種類の異なるタンパク質コートprotein coatsタンパク質コート（protein coats）protein coats（タンパク質コート）がある：クラスリン、COP-I、COP-II。

コートは通常2層からなる：内層inner layer内層（inner layer）inner layer（内層）コート（適切な積み荷を選択しコートタンパク質の集合を可能にする）、外層outer layer外層（outer layer）outer layer（外層）コート（バスケット状の格子grating格子（grating）grating（格子）として曲面を形成し膜の経路を変形させ小胞を成形する）。

クラスリン被覆小胞

• 1つのクラスリン分子は3本の重鎖heavy chain重鎖（heavy chain）heavy chain（重鎖）と3本の軽鎖を持ち、トリスケリオンtriskelionトリスケリオン（triskelion）triskelion（トリスケリオン）と呼ばれる三脚構造を形成する
• 1つのクラスリン分子の1本の脚は別のクラスリン分子の脚に結合する→これにより小胞表面全体を覆う
• 積み荷分子は成長中の芽の細胞膜にある（特異的な）積み荷受容体に結合する
• クラスリン分子はアダプチンadaptinアダプチン（adaptin）adaptin（アダプチン）と呼ばれる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）複合体を介して積み荷受容体に結合する（ホスファチジルイノシトールphosphatidylinositolホスファチジルイノシトール（phosphatidylinositol）phosphatidylinositol（ホスファチジルイノシトール）脂質＝PIPsにより積み荷受容体を認識する）
  • AP1： トランスゴルジに局在、リソソーム加水分解酵素lysosomal hydrolaseリソソーム加水分解酵素（lysosomal hydrolase）lysosomal hydrolase（リソソーム加水分解酵素）を運ぶ
  • AP2： PMに局在、エンドサイトーシス中に機能する
  • AP3： リソソームへの輸送
  • AP4： あまり知られていない
• 積み荷受容体＋アダプチンadaptinアダプチン（adaptin）adaptin（アダプチン）複合体＝内層inner layer内層（inner layer）inner layer（内層）コート
• ダイナミンdynaminダイナミン（dynamin）dynamin（ダイナミン）（および関連タンパク質）は膜からの小胞の出芽を触媒する細胞質タンパク質である
  • ダイナミンdynaminダイナミン（dynamin）dynamin（ダイナミン）はホスファチジルイノシトールphosphatidylinositolホスファチジルイノシトール（phosphatidylinositol）phosphatidylinositol（ホスファチジルイノシトール）結合ドメインを含み、これがタンパク質を膜に係留する
  • ダイナミンdynaminダイナミン（dynamin）dynamin（ダイナミン）（GTPase活性）は小胞の頸部の周囲で重合する→GTPをGDPへ加水分解する→このエネルギーを利用して小胞の解放を実行する
  • 膜の2つの「葉」を近づけ、最終的に融合させドナー膜から小胞を分離させる
• クラスリン小胞の脱コートはHsc70-ATP補助クラスリンにより触媒され、ATPを加水分解しこのエネルギーを用いて小胞からクラスリンコートを剥がす→脱コートは小胞が形成される前に起こらないことが重要である

COP-I被覆小胞

トランスゴルジからシスゴルジ＋ERへタンパク質を輸送する→タンパク質が誤って折り畳まれた場合、逆行性経路が用いられる。

• ARF1はコート動員GTPase（Ras様Gタンパク質）であり、ゴルジ膜（シスゴルジ）でのCOP-1コートの組み立てを担う

1. ゴルジ膜において、ARF-GDPがp23ホモオリゴマー（単量体monomer単量体（monomer）monomer（単量体）は同一）に結合する
2. 結合すると、Sec7と呼ばれるGEF（グアニンヌクレオチド交換因子guanine nucleotide exchange factor (GEF)グアニンヌクレオチド交換因子（guanine nucleotide exchange factor (GEF)）guanine nucleotide exchange factor (GEF)（グアニンヌクレオチド交換因子））がGDPをGTPに交換する＝ARF1の活性化
3. ARF1-GTPが活性化されると、p23を放出しゴルジ膜に直接結合する
4. p23はその後p24に結合する→コートマーcoatomer (COP coat protein)コートマー（coatomer (COP coat protein)）coatomer (COP coat protein)（コートマー）が組み立てられるヘテロオリゴマー複合体を形成する（コートマーcoatomer (COP coat protein)コートマー（coatomer (COP coat protein)）coatomer (COP coat protein)（コートマー）＝膜結合性membrane-bound膜結合性（membrane-bound）membrane-bound（膜結合性）輸送小胞を覆うタンパク質複合体）
5. 小胞が十分に大きくなると、BARドメインタンパク質とDAGが小胞の出芽を担う
6. コートの脱組立てのため、ARF1上のGTPはGAP（GTPase活性化タンパク質）によりGDPへ加水分解される→このARF-GDPは不活性でありもはやコートマーcoatomer (COP coat protein)コートマー（coatomer (COP coat protein)）coatomer (COP coat protein)（コートマー）に結合できない＝脱組立て→小胞のターゲット膜との融合

COP-II被覆小胞

ERからゴルジ（シス）へタンパク質を輸送する＝順行性antegrade順行性（antegrade）antegrade（順行性）経路。

1. Sar1（ARFと類似のRas様Gタンパク質）はGDPに結合しているとき不活性である
2. Sec12（＝Sar1-GEF）がGDPをGTPへ触媒する→Sar1-GTPを活性化する
3. Sar1-GTPはその両親媒性ヘリックスamphipathic helix両親媒性ヘリックス（amphipathic helix）amphipathic helix（両親媒性ヘリックス）（このヘリックスはSar1がGTPに結合した後にのみ利用可能になる）を介して直接ER膜に結合する
4. Sar1はその後アダプター複合体Sec24-Sec23を動員し、内層inner layer内層（inner layer）inner layer（内層）コートを形成する
5. Sec23はSar1に結合する（Sec23は将来GAPとして機能する＝GTPのGDPへの加水分解）
6. Sec24はER膜内の積み荷受容体に結合する
7. コートタンパク質Sec13/31がアダプター複合体Sec24/23に結合しCOP-II小胞の外層outer layer外層（outer layer）outer layer（外層）コートを形成する

Rabサイクル

小胞は細胞骨格上のモータータンパク質motor proteinモータータンパク質（motor protein）motor protein（モータータンパク質）に、直接または、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）を介して結合している。Rabは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）であり、同時にGTPase（低分子単量体monomer単量体（monomer）monomer（単量体）Gタンパク質）でもある→GDP結合時は不活性、GTP結合時は活性。RabがGTPに結合すると、小胞に結合し輸送を媒介できる。Rabは小胞が形成されている間に小胞に結合するため、コートの下に位置しコートが脱組立てされても解離しない。

flowchart TD
  A["Rab合成：GDP結合＝不活性"] --> B["REP（Rab escort protein）がプレニル基を転移"]
  B --> C["Rab-GDPがドナー膜へ輸送される"]
  C --> D["膜上のGEFがGDPをGTPへ交換"]
  D --> E["Rab-GTP：活性化、小胞と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='motor protein'>モータータンパク質</span>に結合"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='SNARE protein'>SNAREタンパク質</span>を介した小胞のターゲット膜との融合を助ける"]
  F --> G["Rab-GTPがGDPへ加水分解され小胞から解離"]
  G --> H["GDI（GDP dissociation inhibitor）がRab-GDPに結合"]
  H --> I["GDIがRab-GDPをドナー膜へ輸送"]
  I --> J["GDF（GDI displacement factor）がGDIを除去"]
  J --> A

1. Rabが合成されると、まずGDPに結合し不活性である
2. Rab-GDPはREP（Rab escort protein）と出会い、これがプレニル基（疎水性分子hydrophobic molecule疎水性分子（hydrophobic molecule）hydrophobic molecule（疎水性分子））をRabへ転移する——これによりRabは膜に結合できるようになる。REPはまたRabをドナー膜へ輸送する
3. プレニル基を持つRab-GDPは膜上のGEFと相互作用できる→GEFがGDPをGTPと交換する→Rabが活性化され、小胞とモータータンパク質motor proteinモータータンパク質（motor protein）motor protein（モータータンパク質）に結合し輸送を担えるようになる
4. RabはSNAREタンパク質SNARE proteinSNAREタンパク質（SNARE protein）SNARE protein（SNAREタンパク質）を介して小胞のターゲット膜との融合を助ける→小胞がRabから解離する必要があるとき、Rab-GTPはGDPへ加水分解される
5. GDI（GDP解離阻害因子）が小胞の放出後にRab-GDPに結合し、不活性なRabをドナー膜へ輸送し戻す→Rabは新しい小胞の輸送を媒介できる＝サイクルが再び始まる

RabがREPではなくGDIとともにドナー膜へ輸送される場合、ドナー膜はGDF（GDI displacement factor）を通じてGDIを除去する→GEFがRabに作用できるようになる。

小胞のアクセプター/ターゲット膜への係留

1. 認識： 小胞内のRabタンパク質がターゲット膜内のテザリングtetheringテザリング（tethering）tethering（テザリング）タンパク質（＝Rabのエフェクター）に結合する。異なる型のRabタンパク質は異なる型のテザリングtetheringテザリング（tethering）tethering（テザリング）タンパク質に結合する→小胞の特異性を高める
2. ドッキングdockingドッキング（docking）docking（ドッキング）： テザリングtetheringテザリング（tethering）tethering（テザリング）タンパク質が小胞をターゲット膜に近づけ、SNAREが相互作用できるようにする
   • SNAREはSNAPとNSFを引き寄せる
   • SNAP： SNARE複合体を安定化させる
   • NSF： ATPをADPへ加水分解するATPaseであり、このエネルギーは小胞と膜の界面からH2Oを排除するために用いられる
   • SNARE複合体は自発的に形成される→これもH2O排除に使われるエネルギーを放出する
3. 融合： 緊密なSNAREのペアリングが脂質二重層lipid bilayer脂質二重層（lipid bilayer）lipid bilayer（脂質二重層）を接近させ接触させる→脂質層lipid layer脂質層（lipid layer）lipid layer（脂質層）の融合→小胞の取り込み＋積み荷がオルガネラの細胞内空間へ放出される

まとめ

• 小胞輸送vesicular transport小胞輸送（vesicular transport）vesicular transport（小胞輸送）は細胞内区画intracellular compartment細胞内区画（intracellular compartment）intracellular compartment（細胞内区画）間・細胞内外の物質輸送を担い、コートタンパク質（クラスリン：ゴルジ⇄リソソーム/PM、COP-I：ゴルジ→ER逆行性、COP-II：ER→ゴルジ順行性antegrade順行性（antegrade）antegrade（順行性））が膜を変形させ積み荷を選択して小胞を形成する。
• COP-I（ARF1）とCOP-II（Sar1）はいずれもGDP/GTPスイッチとして働くGTPaseにより制御され、GEFによる活性化とGAPによる不活性化を通じてコートの組み立てと脱組立てのタイミングを決める。
• Rabサイクル（REPによるプレニル化prenylationプレニル化（prenylation）prenylation（プレニル化）→GEFによる活性化→小胞・モータータンパク質motor proteinモータータンパク質（motor protein）motor protein（モータータンパク質）への結合→SNAREを介した融合→GAPによる不活性化→GDIによる回収）が小胞の特異的な行き先認識を担い、テザリングtetheringテザリング（tethering）tethering（テザリング）→ドッキングdockingドッキング（docking）docking（ドッキング）→融合という3段階を経て小胞とターゲット膜が融合し積み荷が放出される。