Molecular Cell Biology · 67

小胞体ストレス、小胞体ストレス応答（UPR）とアポトーシスの関連

Endoplasmic reticulum stress, connection between the Unfolded Protein Response (UPR) and apoptosis

🧠 UPRは「BiPというシャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）の争奪戦」で始まる——普段BiPはIRE1・PERK・ATF6という3人のセンサーに抱きついて眠らせているが、誤って折り畳まれたタンパク質がERに溜まると、BiPはそちらに引き抜かれ、3人のセンサーが一斉に目を覚ます。この3経路（IRE1→XBP1スプライシング、PERK→翻訳抑制、ATF6→ゴルジでの切断）は最初「折り畳み能力を増強して生き延びる」方向に働くが、ストレスが解消されなければ同じPERK-ATF4経路がCHOPという名のスイッチを介して真逆の「アポトーシスへ転じる」方向へと舵を切る——1つのセンサーネットワークが生存とアポトーシスという正反対の結末を、状況の深刻さだけで使い分けている。

オルガネラストレスとER

オルガネラストレスとは、オルガネラの機能的容量が細胞の要求と比べて不十分になった状態である。

ERは脂質とタンパク質の生合成biosynthesis生合成（biosynthesis）biosynthesis（生合成）の両方において中心的役割を果たす。いくつかの品質管理quality control品質管理（quality control）quality control（品質管理）機構がタンパク質の適切なプロセシングと折り畳みを保証するために機能する。折り畳まれていない/誤って折り畳まれたタンパク質はER内に留め置かれ、ER関連分解（ERAD、次項参照）により分解される。折り畳まれていないタンパク質がER内に蓄積すると、真核細胞eukaryote真核細胞（eukaryote）eukaryote（真核細胞）はERシャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）とERAD機構の構成要素の発現を上方調節し、折り畳みと分解の能力を高める→UPR（unfolded protein response、小胞体ストレス応答unfolded protein response (UPR)小胞体ストレス応答（unfolded protein response (UPR)）unfolded protein response (UPR)（小胞体ストレス応答））。

ERストレスの原因

生体内変換biotransformation生体内変換（biotransformation）biotransformation（生体内変換）過程： 第1相のシトクロムP450cytochrome P450, CYPシトクロムP450（cytochrome P450, CYP）cytochrome P450, CYP（シトクロムP450）がROS O2⁻（スーパーオキシドsuperoxideスーパーオキシド（superoxide）superoxide（スーパーオキシド）アニオン）や中間反応性物質の形成を誘導しうる
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）： ERシャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）媒介性のタンパク質フォールディングprotein foldingタンパク質フォールディング（protein folding）protein folding（タンパク質フォールディング）過程がH2O2の形成を引き起こす
誤って折り畳まれたタンパク質： ER内の多くの撹乱が誤って折り畳まれたタンパク質の蓄積や品質管理quality control品質管理（quality control）quality control（品質管理）の問題を引き起こしうる（カルレティキュリンcalreticulinカルレティキュリン（calreticulin）calreticulin（カルレティキュリン）シャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）が誤って折り畳まれたタンパク質に結合しゴルジへの移動を防ぐ）

小胞体ストレス応答

ERの正常な機能の撹乱は細胞ストレス応答であるUPRを導く。これは最初は損傷への代償を目指すが、ER機能不全が重度あるいは長期に及ぶ場合、最終的に細胞死を引き起こしうる。

したがってUPRには2つの局面がある：

タンパク質フォールディングprotein foldingタンパク質フォールディング（protein folding）protein folding（タンパク質フォールディング）能力を増加させ、ERストレスを除去し蓄積した誤って折り畳まれたタンパク質の量を減少させようとする
ストレスを除去できない場合、UPRはERストレス誘導性inducibility誘導性（inducibility）inducibility（誘導性）アポトーシスを促進する

UPRを実行する3つの並行経路があり、IRE1、PERK、ATF6というタンパク質が関与する。

シャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）BiP（binding immunoglobulin protein）は、これらのタンパク質が必要とされていないときにこれらに結合している。しかし誤って折り畳まれたタンパク質がER内に蓄積すると、BiPは解離する——代わりに誤って折り畳まれたタンパク質に結合する必要があるためである（それらをER内に留めるために）→これによりIRE1・PERK・ATF6が活性化される（二量体化dimerization二量体化（dimerization）dimerization（二量体化）、自己リン酸化autophosphorylation自己リン酸化（autophosphorylation）autophosphorylation（自己リン酸化））。

IRE1

二量体化dimerization二量体化（dimerization）dimerization（二量体化）し自己リン酸化autophosphorylation自己リン酸化（autophosphorylation）autophosphorylation（自己リン酸化）する膜貫通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）→IRE1の細胞質側表面にあるエンドリボヌクレアーゼドメインの活性化を引き起こす→特異的な細胞質mRNA分子を2箇所で切断する
mRNAの切断はイントロンを除去し、2つのエキソンexonエキソン（exon）exon（エキソン）がRNAリガーゼligaseリガーゼ（ligase）ligase（リガーゼ）により連結されることを可能にする→新しいスプライシングされたmRNAが作られ、これが翻訳されてXBP1と呼ばれる活性型転写調節transcriptional regulation転写調節（transcriptional regulation）transcriptional regulation（転写調節）タンパク質になる
XBP1は核内へ転位し、UPRを媒介するのを助けるタンパク質をコードする遺伝子を活性化する

PERK

ER内のもう1つの膜貫通キナーゼである
BiPが解放されると、二量体化dimerization二量体化（dimerization）dimerization（二量体化）し自己リン酸化autophosphorylation自己リン酸化（autophosphorylation）autophosphorylation（自己リン酸化）する
PERKはその後eIF2（真核生物翻訳開始translation initiation翻訳開始（translation initiation）translation initiation（翻訳開始）因子）をリン酸化・不活性化する——これがリボソーム上の新規タンパク質の一般的翻訳を阻害する→ERで折り畳まれる必要のあるタンパク質の供給量を減少させる
eIF2が阻害されている間でも一部のタンパク質は翻訳される——その1つがATF4（activation TF）であり、これはUPRに関与する遺伝子の転写を誘導するTFである

ATF6

転写調節transcriptional regulation転写調節（transcriptional regulation）transcriptional regulation（転写調節）因子であり、最初は膜貫通型transmembrane膜貫通型（transmembrane）transmembrane（膜貫通型）ERタンパク質として合成され、ER膜に埋め込まれている→核内で遺伝子転写を活性化できない
誤って折り畳まれたタンパク質が蓄積すると、ATF6タンパク質はゴルジへ輸送され、そこでタンパク質分解proteolysisタンパク質分解（proteolysis）proteolysis（タンパク質分解）を受ける→ATF6の細胞質ドメインが切断される
これによりATF6は核へ移動でき、UPRに必要なタンパク質の転写を誘導できるようになる

flowchart TD
  A["ER内に誤って折り畳まれたタンパク質が蓄積"] --> B["BiPが3センサーから解離し誤折り畳みタンパク質に結合"]
  B --> C["IRE1：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dimerization'>二量体化</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='autophosphorylation'>自己リン酸化</span>"]
  B --> D["PERK：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dimerization'>二量体化</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='autophosphorylation'>自己リン酸化</span>"]
  B --> E["ATF6：ゴルジへ輸送されプロテアーゼ切断"]
  C --> F["mRNAスプライシング→XBP1産生"]
  D --> G["eIF2リン酸化→翻訳抑制＋ATF4選択的翻訳"]
  E --> H["切断されたATF6が核内へ"]
  F --> I["核内でUPR<span class='jp-term jp-term-diagram' title='target gene'>標的遺伝子</span>の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='transcriptional activity'>転写活性</span>化"]
  G --> I
  H --> I
  I --> J["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='chaperone'>シャペロン</span>・ERAD・脂質合成・分泌能の増強"]

ERストレス誘導性アポトーシス

ERストレスが緩和されない場合、UPRは細胞死をもたらす→ERストレス誘導性inducibility誘導性（inducibility）inducibility（誘導性）アポトーシス。この段階で産生されるTFとタンパク質はアポトーシスをもたらすことを意図している——ERの機能不全があまりに重篤で細胞が生存できないためである。

前述の通り、PERKはATF4を活性化し、これがアポトーシス性TFであるCHOPを転写活性transcriptional activity転写活性（transcriptional activity）transcriptional activity（転写活性）化する。CHOPは多くの効果を持つ：

CHOPは通常アポトーシスを防ぐBcl2タンパク質の発現を減少させ、BH3onlyタンパク質の転写を誘導しミトコンドリアの孔形成を助ける→シトクロムcytochromeシトクロム（cytochrome）cytochrome（シトクロム）Cの放出（強力なアポトーシスシグナル）（54-members-of-the-bcl-2-superfamily-and-their-roles-in-various-apoptotic-pathways参照）
CHOPはまたGADD34（eIF2を脱リン酸化dephosphorylation脱リン酸化（dephosphorylation）dephosphorylation（脱リン酸化）するホスファターゼ）を活性化する＝翻訳がもはや阻害されなくなる→増殖停止とDNA損傷誘導性inducibility誘導性（inducibility）inducibility（誘導性）タンパク質
CHOPはまたD5R（デス受容体death receptorデス受容体（death receptor）death receptor（デス受容体））の発現を増加させ、これがプロカスパーゼと相互作用してカスパーゼへ活性化する（プログラム細胞死、55-function-and-activation-of-apoptotic-caspases-role-of-granzyme-b参照）

flowchart TD
  A["ERストレス持続"] --> B["PERK-ATF4-CHOP軸の継続的活性化"]
  B --> C["Bcl2発現減少＋BH3onlyタンパク質誘導"]
  C --> D["ミトコンドリア孔形成→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome'>シトクロム</span>C放出"]
  B --> E["GADD34誘導→eIF2<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dephosphorylation'>脱リン酸化</span>→翻訳再開"]
  B --> F["D5R発現増加→プロカスパーゼ活性化"]
  D --> G["アポトーシス（ERストレス<span class='jp-term jp-term-diagram' title='inducibility'>誘導性</span>）"]
  F --> G

💡 IRE1・PERK・ATF6の3経路は当初「生存」（フォールディング能力増強、68-protein-quality-control-in-the-endoplasmic-reticulum-the-fate-of-misfoldedで扱うERADの増強を含む）を目指すが、PERK-ATF4経路だけがCHOPというスイッチを介して「アポトーシス」へ舵を切ることができる——同じセンサーが時間経過time course時間経過（time course）time course（時間経過）とストレスの深刻度に応じて正反対の帰結（生存 vs 細胞死）を導く点が、この経路の最も重要な理解ポイントである。

まとめ

ERストレスは折り畳まれていない/誤って折り畳まれたタンパク質の蓄積により生じ、BiPがIRE1・PERK・ATF6という3つのセンサーから解離してこれらを誤折り畳みタンパク質に振り向けることでUPRが起動する。
IRE1はXBP1スプライシングを介して、PERKはeIF2リン酸化による翻訳抑制とATF4選択的翻訳を介して、ATF6はゴルジでの切断を介して、それぞれ核内でUPR標的遺伝子target gene標的遺伝子（target gene）target gene（標的遺伝子）（シャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）、ERAD構成要素など）の転写を活性化しフォールディング能力を高めようとする。
ストレスが緩和されない場合、PERK-ATF4経路が誘導するCHOPがBcl2抑制・BH3onlyタンパク質誘導・GADD34活性化・D5R発現増加を通じてERストレス誘導性inducibility誘導性（inducibility）inducibility（誘導性）アポトーシスへ舵を切る。