Molecular Cell Biology · 63

細胞内小器官のプロテオーム形成；タンパク質選別の原理と機構（EM学生のみ）

Formation of the proteome of subcellular organelles; principles and mechanisms of protein sorting (only for EM-students)

🧠 オルガネラは「ゼロから作れない」——その情報はDNAだけでなく、既存のオルガネラのプロテオームproteomeプロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム）そのものに宿っており、増殖と分裂、あるいは鋳型からの出芽によってのみ継承される。そしてタンパク質がどのオルガネラへ届くかは、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）に埋め込まれた「選別シグナル」で決まるが、決定的なのは配列そのものではなく物理的性質physical nature物理的性質（physical nature）physical nature（物理的性質）（疎水性か、正電荷か、負電荷かという「手触り」）である——だからこそ、ある物理的性質physical nature物理的性質（physical nature）physical nature（物理的性質）を持つシグナルを人工的に付ければ、本来そこに住まないタンパク質でも標的オルガネラへ送り込める。

プロテオームとは

プロテオームproteomeプロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム）とは、ある時点においてゲノム・細胞・組織・生物によって発現される全タンパク質の集合である。細胞内小器官のプロテオームproteomeプロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム）とは、したがって、ある特定のオルガネラの全タンパク質を指す。

細胞レベルCellular細胞レベル（Cellular）Cellular（細胞レベル）では、タンパク質の機能は特定の時刻・場所で大部分の過程を触媒・伝導・制御することである
タンパク質の細胞内局在はタンパク質の機能を規定するのに役立つ——異なるオルガネラは多様な生理的条件と相互作用パートナーを含む異なる環境を提供するためである

オルガネラのプロテオーム

特異的プロテオームproteomeプロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム）という概念は、様々な細胞内小器官の恒常的かつ調節された内部環境（内部ミリュー）を確立するために重要である。区画化compartmentation区画化（compartmentation）compartmentation（区画化）により定義され、異なるオルガネラは異なる機能を持ち、それゆえ適応した適切な環境を必要とする。

オルガネラ	プロテオームproteomeプロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム）の特徴
ER	細胞タンパク質の2%を保持するが、細胞内で合成される全タンパク質の1/3がERを通過する。最も顕著な機能はタンパク質の合成であり、正しいフォールディングと転写後修飾（例：ジスルフィド結合形成disulfide bond formationジスルフィド結合形成（disulfide bond formation）disulfide bond formation（ジスルフィド結合形成）、グリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化））を助ける酵素＋タンパク質を要する。薬物代謝drug metabolism薬物代謝（drug metabolism）drug metabolism（薬物代謝）（シトクロムP450cytochrome P450, CYPシトクロムP450（cytochrome P450, CYP）cytochrome P450, CYP（シトクロムP450）酵素を含む）、脂質合成酵素も含む。シャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）、トランスロケーターtranslocatorトランスロケーター（translocator）translocator（トランスロケーター）、レクチンlectinレクチン（lectin）lectin（レクチン）、COP-II小胞、SRP受容体、可溶性ERタンパク質などを含む
ゴルジ	タンパク質を輸送・修飾し小胞へ包装して標的の目的地へ届ける（小胞輸送vesicular transport小胞輸送（vesicular transport）vesicular transport（小胞輸送）、Zn²⁺イオン恒常性、タンパク質の翻訳後修飾post-translational modification翻訳後修飾（post-translational modification）post-translational modification（翻訳後修飾））。制御された膜内タンパク質分解proteolysisタンパク質分解（proteolysis）proteolysis（タンパク質分解）（RIP、regulated intermembrane proteolysis）にも関与し、転写因子の放出を引き起こす
ミトコンドリア	クエン酸回路citric acid cycle (TCA cycle)クエン酸回路（citric acid cycle (TCA cycle)）citric acid cycle (TCA cycle)（クエン酸回路）、電子伝達系electron transport chain電子伝達系（electron transport chain）electron transport chain（電子伝達系）、β酸化beta-oxidationβ酸化（beta-oxidation）beta-oxidation（β酸化）、ケトン体生成など多くの中間代謝intermediary metabolism中間代謝（intermediary metabolism）intermediary metabolism（中間代謝）過程に関与する。電子伝達系electron transport chain電子伝達系（electron transport chain）electron transport chain（電子伝達系）の酵素（複合体I-V）、クエン酸回路citric acid cycle (TCA cycle)クエン酸回路（citric acid cycle (TCA cycle)）citric acid cycle (TCA cycle)（クエン酸回路）の酵素（フマラーゼfumaraseフマラーゼ（fumarase）fumarase（フマラーゼ）、クエン酸シンターゼcitrate synthaseクエン酸シンターゼ（citrate synthase）citrate synthase（クエン酸シンターゼ）、コハク酸デヒドロゲナーゼsuccinate dehydrogenase (SDH)コハク酸デヒドロゲナーゼ（succinate dehydrogenase (SDH)）succinate dehydrogenase (SDH)（コハク酸デヒドロゲナーゼ））を含む。マトリックスがタンパク質の2/3を保持する
リソソーム	消化酵素digestive enzyme消化酵素（digestive enzyme）digestive enzyme（消化酵素）（ペプチダーゼpeptidaseペプチダーゼ（peptidase）peptidase（ペプチダーゼ）、ホスファターゼ、グルコシダーゼglucosidaseグルコシダーゼ（glucosidase）glucosidase（グルコシダーゼ））を含む——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、低pHで働き高分子を消化する。低pHを維持するプロトンポンプを持つ
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）	酸素を用いて有機基質を還元するオキシゲナーゼoxygenaseオキシゲナーゼ（oxygenase）oxygenase（オキシゲナーゼ）酵素を含む。過酸化水素hydrogen peroxide過酸化水素（hydrogen peroxide）hydrogen peroxide（過酸化水素）を産生し、これは酵素「ペルオキシダーゼperoxidaseペルオキシダーゼ（peroxidase）peroxidase（ペルオキシダーゼ）」またはカタラーゼによって除去される
細胞骨格	繊維＋関連タンパク質が細胞プロテオームproteomeプロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム）の大部分を占める（アクチン繊維actin filamentsアクチン繊維（actin filaments）actin filaments（アクチン繊維）、微小管、中間径フィラメントintermediate filaments中間径フィラメント（intermediate filaments）intermediate filaments（中間径フィラメント）、60-structure-of-cytoskeleton-structure-and-function-of-motor-proteins参照）
核	DNA・RNAポリメラーゼ、関連TF、ヒストン（HAT＋HDAC）

プロテオームの分類

分類	特徴
組織特異的プロテオームproteomeプロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム）	組織で発現が高いタンパク質の役割は組織/臓器の機能と相関する。例：肝臓は多数の分泌タンパク質を産生し、腎臓は多くの膜結合型membrane-bound膜結合型（membrane-bound）membrane-bound（膜結合型）タンパク質を産生する
ハウスキーピングプロテオームproteomeプロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム）	あらゆる細胞に存在し、正常な細胞構造と生命機能の維持を助けるタンパク質。例：リボソームの酵素、細胞代謝に寄与するタンパク質、エネルギー産生energy productionエネルギー産生（energy production）energy production（エネルギー産生）のためのミトコンドリアタンパク質
調節プロテオームproteomeプロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム）	遺伝子発現の調節に関与するタンパク質
セクレトームsecretomeセクレトーム（secretome）secretome（セクレトーム）	分泌タンパク質は生理的・病理的過程において役割を果たす。例：サイトカイン、凝固因子、成長因子growth factor成長因子（growth factor）growth factor（成長因子）

オルガネラは鋳型を必要とする

オルガネラが合成されるには鋳型が必要であり、ゼロから合成することはできない。これは、オルガネラが自身の膜、膜貫通タンパク質、そしてこの膜が囲む内容物/組成によって定義されるためである。したがって、新しいミトコンドリアやERをデノボde novoデノボ（de novo）de novo（デノボ）で単に合成することは不可能である——そのためには適切なトランスポーターを持つ膜が必要であり、これがオルガネラの組成を作り出し維持するからである。オルガネラを構築するために必要な情報は、DNAのみに存在するのではなく、オルガネラのプロテオームproteomeプロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム）に存在し、このプロテオームproteomeプロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム）は親オルガネラから継承されなければならない——成長と分裂によって、あるいは鋳型からの出芽によって。

⭐ この原則は「オルガネラはオルガネラからしか生まれない」というオルガネラ生合成biosynthesis生合成（biosynthesis）biosynthesis（生合成）の核心を表す——DNAは膜タンパク質membrane proteins膜タンパク質（membrane proteins）membrane proteins（膜タンパク質）の一次配列を規定できても、既存の膜・組成という「鋳型」がなければ、その情報を実際のオルガネラへ変換することはできない。

タンパク質選別

タンパク質の運命はそのアミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）（一次構造primary structure一次構造（primary structure）primary structure（一次構造））に依存し、これが受容体によって認識され目的地へ輸送される選別/局在化シグナルを含む。一部のタンパク質は選別シグナルを持たず、細胞質内に恒久的居住者として留まる。

選別シグナルはタンパク質を細胞質から核、ER、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）へと導く——シグナル配列signal sequenceシグナル配列（signal sequence）signal sequence（シグナル配列）に依存して。

タンパク質が区画間を移動する3つの方式

ゲート輸送gated transportゲート輸送（gated transport）gated transport（ゲート輸送）： 特異的高分子の能動輸送を支持する選択的ゲートとして機能するが、小粒子small-particle小粒子（small-particle）small-particle（小粒子）の自由拡散も許容しうる
タンパク質転位protein translocationタンパク質転位（protein translocation）protein translocation（タンパク質転位）： 膜貫通型transmembrane膜貫通型（transmembrane）transmembrane（膜貫通型）タンパク質トランスロケーターtranslocatorトランスロケーター（translocator）translocator（トランスロケーター）により、細胞質から膜を横断して特異的タンパクspecific protein特異的タンパク（specific protein）specific protein（特異的タンパク）質を輸送する過程。通常狭いチャネルであるため、タンパク質は通過するために折り畳まれていない必要がある（例：ER＋ミトコンドリアで生じる）
小胞輸送vesicular transport小胞輸送（vesicular transport）vesicular transport（小胞輸送）： 膜で囲まれた小胞が、小胞と標的膜の融合によりある区画から別の区画へタンパク質を運ぶ。通常ER→ゴルジ→細胞区画（61-the-protein-secretory-pathway-role-of-the-rab-cycle-in-the-regulation-of参照）

各輸送様式は通常選別シグナル（相補的な選別受容体により認識される）によって導かれ、これがタンパク質を目的の区画へ方向づける。大部分の選別/局在化シグナルは15〜60残基長であり、異なる型がある：

シグナル配列signal sequenceシグナル配列（signal sequence）signal sequence（シグナル配列）： 通常タンパク質のN末端に位置する。二次元的シグナルであり、多くの場合選別過程が完了すると特殊化specialization特殊化（specialization）specialization（特殊化）されたシグナルペプチダーゼpeptidaseペプチダーゼ（peptidase）peptidase（ペプチダーゼ）によって除去される例：翻訳共役型にERへ転位されるタンパク質
シグナルパッチsignal patchesシグナルパッチ（signal patches）signal patches（シグナルパッチ）： タンパク質が適切に折り畳まれると特定の三次tertiary三次（tertiary）tertiary（三次）元配置を形成する複数の内部アミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）。シグナル配列signal sequenceシグナル配列（signal sequence）signal sequence（シグナル配列）と異なり、シグナルパッチsignal patchesシグナルパッチ（signal patches）signal patches（シグナルパッチ）が認識可能なシグナルを形成するためにはタンパク質が折り畳まれている必要がある。これはNLS（核局在化シグナルnuclear localization signal (NLS)核局在化シグナル（nuclear localization signal (NLS)）nuclear localization signal (NLS)（核局在化シグナル））に典型的である

局在化シグナルが除去されると、タンパク質は決して標的に到達しない。通常その特定のオルガネラに存在しないタンパク質に選別シグナルが付加されると、それでもそのオルガネラへ輸送される（例：細胞質タンパク質にER選別シグナルを付加すると、それをERへ転位させる）。

シグナル配列の例

シグナル	物理的性質physical nature物理的性質（physical nature）physical nature（物理的性質）
ER取り込みシグナル	N末端上の疎水性アミノ酸の長い連なり
ERへの返送シグナル（例：誤ってゴルジへ運ばれた場合）	C末端上の負電荷（Asp、Glu＝酸性）と疎水性（Lys、Leu、Arg）アミノ酸の配列
ミトコンドリア取り込みシグナル	正電荷（塩基性＝Arg、Lys）と疎水性アミノ酸が交互alternating交互（alternating）alternating（交互）に並ぶ配列
核局在化シグナルnuclear localization signal (NLS)核局在化シグナル（nuclear localization signal (NLS)）nuclear localization signal (NLS)（核局在化シグナル）	主に塩基性アミノ酸basic amino acid塩基性アミノ酸（basic amino acid）basic amino acid（塩基性アミノ酸）（Arg、Lys）からなる

⭐ 局在化シグナルの物理的性質physical nature物理的性質（physical nature）physical nature（物理的性質）は、アミノ酸の実際の配列そのものよりも重要である。つまり、あるオルガネラへの進入のための選別シグナルは1つの特定の配列である必要はなく、むしろ一定の物理的性質physical nature物理的性質（physical nature）physical nature（物理的性質）を持つアミノ酸の配列であればよい。

flowchart TD
  A["新規合成タンパク質の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='amino-acid sequence'>アミノ酸配列</span>"] --> B{"選別シグナルの型は？"}
  B -->|"N末端疎水性配列（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='signal sequence'>シグナル配列</span>）"| C["ERへ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='co-translational translocation'>翻訳共役型転位</span>"]
  B -->|"正電荷+疎水性<span class='jp-term jp-term-diagram' title='alternating'>交互</span>配列"| D["ミトコンドリアへ転位"]
  B -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='basic amino acid'>塩基性アミノ酸</span>（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='signal patches'>シグナルパッチ</span>、NLS）"| E["核へ輸送（折り畳み後に認識）"]
  B -->|"シグナルなし"| F["細胞質に恒久的に留まる"]

まとめ

各オルガネラは特異的なプロテオームproteomeプロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム）（ER：合成・修飾・薬物代謝drug metabolism薬物代謝（drug metabolism）drug metabolism（薬物代謝）、ゴルジ：輸送・修飾・RIP、ミトコンドリア：エネルギー代謝Energy Metabolismエネルギー代謝（Energy Metabolism）Energy Metabolism（エネルギー代謝）、リソソーム：酸性加水分解、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）：酸化的解毒、細胞骨格・核など）を持ち、組織特異的/ハウスキーピング/調節性regulated調節性（regulated）regulated（調節性）/セクレトームsecretomeセクレトーム（secretome）secretome（セクレトーム）という機能分類functional classification機能分類（functional classification）functional classification（機能分類）も可能である。
オルガネラはデノボ合成de novo synthesisデノボ合成（de novo synthesis）de novo synthesis（デノボ合成）できず、既存の膜・膜タンパク質membrane proteins膜タンパク質（membrane proteins）membrane proteins（膜タンパク質）・組成という「プロテオームproteomeプロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム）という鋳型」を親オルガネラから継承することによってのみ増殖する——構築情報はDNAだけでなくオルガネラのプロテオームproteomeプロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム）そのものに存在する。
タンパク質選別protein sortingタンパク質選別（protein sorting）protein sorting（タンパク質選別）はアミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）中の選別シグナル（N末端シグナル配列signal sequenceシグナル配列（signal sequence）signal sequence（シグナル配列）、または折り畳み後に形成されるシグナルパッチsignal patchesシグナルパッチ（signal patches）signal patches（シグナルパッチ））により、ゲート輸送gated transportゲート輸送（gated transport）gated transport（ゲート輸送）・タンパク質転位protein translocationタンパク質転位（protein translocation）protein translocation（タンパク質転位）・小胞輸送vesicular transport小胞輸送（vesicular transport）vesicular transport（小胞輸送）のいずれかの様式で行われ、シグナルの実際の配列よりもその物理的性質physical nature物理的性質（physical nature）physical nature（物理的性質）（疎水性、正電荷、負電荷）が選別の決定要因となる。