Molecular Cell Biology · 68

小胞体におけるタンパク質品質管理；ミスフォールドタンパク質の運命；ERAD

Protein quality control in the endoplasmic reticulum; the fate of misfolded proteins; ERAD

🧠 ERの品質管理quality control品質管理（quality control）quality control（品質管理）は「糖鎖glycan (sugar chain)糖鎖（glycan (sugar chain)）glycan (sugar chain)（糖鎖）を時計として使う」という発想で成り立っている——N結合型糖鎖glycan (sugar chain)糖鎖（glycan (sugar chain)）glycan (sugar chain)（糖鎖）からグルコースを1つずつ削っては足すグルコシダーゼglucosidaseグルコシダーゼ（glucosidase）glucosidase（グルコシダーゼ）/グルコシルトランスフェラーゼglucosyltransferaseグルコシルトランスフェラーゼ（glucosyltransferase）glucosyltransferase（グルコシルトランスフェラーゼ）のサイクルが、タンパク質がカルネキシンcalnexinカルネキシン（calnexin）calnexin（カルネキシン）/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）に「まだ折り畳み中」として留め置かれる期間を決め、さらに遅いマンノースmannoseマンノース（mannose）mannose（マンノース）除去が「もう十分待った、諦めろ」という最終タイマーとして働く。品質管理quality control品質管理（quality control）quality control（品質管理）をくぐり抜けられなかったタンパク質（実に最大80%にも上る）はERAD複合体によって細胞質側へ引き戻され、E3ユビキチンリガーゼubiquitin ligaseユビキチンリガーゼ（ubiquitin ligase）ubiquitin ligase（ユビキチンリガーゼ）によってタグ付けされプロテアソームで分解される——ERの中で完結しない「逆輸送reverse transport逆輸送（reverse transport）reverse transport（逆輸送）してから壊す」という一風変わった分解戦略である。

ERにおけるタンパク質フォールディング制御

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——保護機構であるUPR（unfolded protein response）を通じて（67-endoplasmic-reticulum-stress-connection-between-the-unfolded-protein-response参照）

rERで合成される膜タンパク質membrane proteins膜タンパク質（membrane proteins）membrane proteins（膜タンパク質）＋可溶性分泌タンパク質は、最終目的地に到達する前に4つの主要な修飾を受ける：

炭水化物の共有結合的付加＋プロセシング（グリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化））：ER・ゴルジ複合体で
ER内でのジスルフィド結合disulfide bondジスルフィド結合（disulfide bond）disulfide bond（ジスルフィド結合）の形成：ER内の酸化的環境がタンパク質ジスルフィドイソメラーゼprotein disulfide isomerase (PDI)タンパク質ジスルフィドイソメラーゼ（protein disulfide isomerase (PDI)）protein disulfide isomerase (PDI)（タンパク質ジスルフィドイソメラーゼ）による遊離スルフヒドリルsulfhydrylスルフヒドリル（sulfhydryl）sulfhydryl（スルフヒドリル）（SH）基の酸化を介したジスルフィド結合disulfide bondジスルフィド結合（disulfide bond）disulfide bond（ジスルフィド結合）（S-S）形成を触媒することを可能にする
ER内でのポリペプチド鎖の適切な折り畳みと多サブユニットタンパク質の組み立て
ER、ゴルジ、分泌小胞での特異的タンパクspecific protein特異的タンパク（specific protein）specific protein（特異的タンパク）質分解性切断

グリコシル化

タンパク質へのオリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）の共有結合的付加はERの主要な機能であり——タンパク質の品質管理quality control品質管理（quality control）quality control（品質管理）において重要である。

前駆体オリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）（2つのN-アセチルグルコサミンN-acetylglucosamineアセチルグルコサミン（N-acetylglucosamine）N-acetylglucosamine（アセチルグルコサミン）、9つのマンノースmannoseマンノース（mannose）mannose（マンノース）、3つのグルコースから構成される）があらかじめ形成されタンパク質へ転移される。このオリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）はタンパク質中のアスパラギンasparagineアスパラギン（asparagine）asparagine（アスパラギン）残基の側鎖NH2基へ転移されるため、N結合型グリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化）として知られる。

この転移は膜結合性membrane-bound膜結合性（membrane-bound）membrane-bound（膜結合性）酵素複合体であるオリゴ糖転移酵素oligosaccharyl transferaseオリゴ糖転移酵素（oligosaccharyl transferase）oligosaccharyl transferase（オリゴ糖転移酵素）により触媒される
特殊な脂質分子であるドリコールdolicholドリコール（dolichol）dolichol（ドリコール）が前駆体オリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）を膜内に係留する
前駆体オリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）は、そのアミノ酸がタンパク質転位protein translocationタンパク質転位（protein translocation）protein translocation（タンパク質転位）の間にER内腔に到達した直後、単一の酵素段階で標的アスパラギンasparagineアスパラギン（asparagine）asparagine（アスパラギン）へ転移される
前駆体オリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）はドリコールdolicholドリコール（dolichol）dolichol（ドリコール）脂質に高エネルギーピロリン酸pyrophosphateピロリン酸（pyrophosphate）pyrophosphate（ピロリン酸）結合により連結されており、これがグリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化）反応を駆動する活性化エネルギーactivation energy活性化エネルギー（activation energy）activation energy（活性化エネルギー）を提供する
前駆体糖の組み立ては最初ERの細胞質側表面で形成され、その後この糖中間体が反転してER内腔に位置するようになる

→ グリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化）はタンパク質成熟の次の段階にとって決定的である。糖質部分と相互作用することで、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）の過程が開始されうる→品質管理quality control品質管理（quality control）quality control（品質管理）機構として働く。

フォールディング：カルネキシンとカルレティキュリン

ERシャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）タンパク質であるカルネキシンcalnexinカルネキシン（calnexin）calnexin（カルネキシン）と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）は、いずれも活性化にCa²⁺を要する。これらのシャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）は炭水化物結合タンパク質（レクチンlectinレクチン（lectin）lectin（レクチン））であり、不完全に折り畳まれたタンパク質上のオリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）に結合しこれらをER内に留める。これによって不完全に折り畳まれたタンパク質が不可逆的に凝集するのを防ぐ。

カルネキシンcalnexinカルネキシン（calnexin）calnexin（カルネキシン）と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）は末端に単一のグルコースを含むN結合型オリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）を認識する。したがって、前駆体オリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）上の3つのグルコースのうち2つがERグルコシダーゼglucosidaseグルコシダーゼ（glucosidase）glucosidase（グルコシダーゼ）による「グルコーストリミング」で除去された後にのみ、これらのタンパク質に結合する
別のERタンパク質であるグルコシルトランスフェラーゼglucosyltransferaseグルコシルトランスフェラーゼ（glucosyltransferase）glucosyltransferase（グルコシルトランスフェラーゼ）は誤って折り畳まれたタンパク質を区別でき、最後のグルコースを失ったオリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）にグルコースを付加し続ける。これは折り畳まれていないタンパク質に結合したオリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）にのみグルコースを付加する
したがって、折り畳まれていないタンパク質は（グルコシダーゼglucosidaseグルコシダーゼ（glucosidase）glucosidase（グルコシダーゼ）による）グルコーストリミングと（グルコシルトランスフェラーゼglucosyltransferaseグルコシルトランスフェラーゼ（glucosyltransferase）glucosyltransferase（グルコシルトランスフェラーゼ）による）グルコース付加の連続したサイクルを経て、完全に折り畳まれた状態に達するまでカルネキシンcalnexinカルネキシン（calnexin）calnexin（カルネキシン）・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）への親和性を維持する＝ERのタンパク質品質管理quality control品質管理（quality control）quality control（品質管理）

⭐ グルコシルトランスフェラーゼglucosyltransferaseグルコシルトランスフェラーゼ（glucosyltransferase）glucosyltransferase（グルコシルトランスフェラーゼ）の機構は、タンパク質成熟過程における最も重要な機構の1つと考えられている。

flowchart TD
  A["前駆体<span class='jp-term jp-term-diagram' title='oligosaccharide'>オリゴ糖</span>がAsn残基へ転移（N結合型<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glycosylation'>グリコシル化</span>）"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucosidase'>グルコシダーゼ</span>によるグルコーストリミング（3→1個）"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='calnexin'>カルネキシン</span>/<span class='jp-term jp-term-diagram' title='calreticulin'>カルレティキュリン</span>が単一末端グルコースを認識し結合"]
  C --> D{"タンパク質は正しく折り畳まれたか？"}
  D -->|"未完成"| E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glucosyltransferase'>グルコシルトランスフェラーゼ</span>がグルコースを再付加"]
  E --> C
  D -->|"完成"| F["ERを退出しゴルジへ"]

品質管理quality control品質管理（quality control）quality control（品質管理）機構とシャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）の助けにもかかわらず、ERへ転位されるタンパク質の多く（一部の型では最大80%）は、適切に折り畳まれた状態あるいはオリゴマー状態を達成できない。このようなタンパク質はERから細胞質へ戻して輸出され、そこでユビキチン化ubiquitinationユビキチン化（ubiquitination）ubiquitination（ユビキチン化）されプロテアソームで分解される。

（プロテアソームは真核細胞eukaryote真核細胞（eukaryote）eukaryote（真核細胞）内（細胞質＋核に局在）のタンパク質複合体であり、不要または損傷したタンパク質をタンパク質分解proteolysisタンパク質分解（proteolysis）proteolysis（タンパク質分解）（ペプチド結合の加水分解）により分解する責任を持つ。ユビキチンタグは、タンパク質をプロテアソームでの破壊の標的としてマークする識別特徴として働く。31-structure-and-function-of-the-proteasome-role-of-immune-proteasome-and-tap参照）

ER関連分解

誤って折り畳まれたタンパク質は、ER膜を通じた逆行性輸送を受けて細胞質へ移り、そこでポリユビキチン化ubiquitinationユビキチン化（ubiquitination）ubiquitination（ユビキチン化）を受ける。少なくとも4つの内在性膜タンパク質integral proteins内在性膜タンパク質（integral proteins）integral proteins（内在性膜タンパク質）からなる複合体（ERAD複合体として知られる）がこの輸送を媒介する。

この複合体はE3ユビキチンリガーゼubiquitin ligaseユビキチンリガーゼ（ubiquitin ligase）ubiquitin ligase（ユビキチンリガーゼ）を含み、これが折り畳まれていないタンパク質が細胞質へ出てくる際にポリユビキチン化ubiquitinationユビキチン化（ubiquitination）ubiquitination（ユビキチン化）タグを付加する
この過程はATP加水分解によって駆動され、AAA-ATPaseファミリーの六量体hexamer六量体（hexamer）hexamer（六量体）ATPaseにより媒介される——これが未折り畳みタンパク質を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）を通じて細胞質へ引き込む

誤って折り畳まれたタンパク質や組み立てられていないタンパク質サブユニットは分解されるべきだが、新規合成タンパク質の折り畳み途中の中間体は分解されるべきではない。

この2つを区別するため、N結合型オリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）が用いられ、タンパク質がERにどれだけの時間を費やしたかを測定する「タイマー」として機能する
ER内の酵素（マンノシダーゼmannosidaseマンノシダーゼ（mannosidase）mannosidase（マンノシダーゼ））によるコアオリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）ツリー上の特定のマンノースmannoseマンノース（mannose）mannose（マンノース）の緩やかなトリミングが、ERAD複合体が認識する新しいオリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）構造を作り出す

→ タンパク質は転位され、ユビキチン化ubiquitinationユビキチン化（ubiquitination）ubiquitination（ユビキチン化）され、脱グリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化）される→分解される。

flowchart TD
  A["ERに長期間留まったタンパク質：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='mannosidase'>マンノシダーゼ</span>による緩やかな<span class='jp-term jp-term-diagram' title='mannose'>マンノース</span>除去"] --> B["ERAD複合体が新しい<span class='jp-term jp-term-diagram' title='oligosaccharide'>オリゴ糖</span>構造を認識"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='chaperone'>シャペロン</span>に結合した誤折り畳みタンパク質がER<span class='jp-term jp-term-diagram' title='translocator'>トランスロケーター</span>を通じて細胞質へ転位"]
  C --> D["N-グリカナーゼがN結合型<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glycan (sugar chain)'>糖鎖</span>を除去（脱<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glycosylation'>グリコシル化</span>）"]
  D --> E["E3<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ubiquitin ligase'>ユビキチンリガーゼ</span>によるポリ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ubiquitination'>ユビキチン化</span>"]
  E --> F["26Sプロテアソームでの分解"]

マンノシダーゼmannosidaseマンノシダーゼ（mannosidase）mannosidase（マンノシダーゼ）が糖タンパク質glycoprotein糖タンパク質（glycoprotein）glycoprotein（糖タンパク質）からマンノースmannoseマンノース（mannose）mannose（マンノース）を1つ除去する
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）がシャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）に結合した誤って折り畳まれたタンパク質をERから細胞質へ移動させる
N-グリコシダーゼglycosidaseグリコシダーゼ（glycosidase）glycosidase（グリコシダーゼ）が糖タンパク質glycoprotein糖タンパク質（glycoprotein）glycoprotein（糖タンパク質）のアスパラギンasparagineアスパラギン（asparagine）asparagine（アスパラギン）からN結合型糖鎖glycan (sugar chain)糖鎖（glycan (sugar chain)）glycan (sugar chain)（糖鎖）を除去する
誤って折り畳まれたタンパク質のユビキチン化ubiquitinationユビキチン化（ubiquitination）ubiquitination（ユビキチン化）
プロテアソームによる分解

まとめ

ERはグリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化）（N結合型、ドリコールdolicholドリコール（dolichol）dolichol（ドリコール）-オリゴ糖転移酵素oligosaccharyl transferaseオリゴ糖転移酵素（oligosaccharyl transferase）oligosaccharyl transferase（オリゴ糖転移酵素）を介する）、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）、フォールディングとサブユニット組み立て、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）質分解性切断という4つの主要な修飾を担う。
カルネキシンcalnexinカルネキシン（calnexin）calnexin（カルネキシン）・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）というレクチンlectinレクチン（lectin）lectin（レクチン）系シャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）は、グルコシダーゼglucosidaseグルコシダーゼ（glucosidase）glucosidase（グルコシダーゼ）によるグルコーストリミングとグルコシルトランスフェラーゼglucosyltransferaseグルコシルトランスフェラーゼ（glucosyltransferase）glucosyltransferase（グルコシルトランスフェラーゼ）による再付加のサイクルを通じて未完成タンパク質を認識し続け、完全に折り畳まれるまでERに留め置く品質管理quality control品質管理（quality control）quality control（品質管理）機構を形成する。
品質管理quality control品質管理（quality control）quality control（品質管理）を通過できなかったタンパク質（最大80%にも及ぶ）はERADにより細胞質へ逆行性輸送され、マンノシダーゼmannosidaseマンノシダーゼ（mannosidase）mannosidase（マンノシダーゼ）による緩やかなマンノースmannoseマンノース（mannose）mannose（マンノース）除去を「タイマー」としてERAD複合体に認識され、脱グリコシル化glycosylationグリコシル化（glycosylation）glycosylation（グリコシル化）・ポリユビキチン化ubiquitinationユビキチン化（ubiquitination）ubiquitination（ユビキチン化）を経てプロテアソームで分解される。