オートファジーの種類・機構・役割

🧠 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 lysosomal membrane リソソーム膜（lysosomal membrane） lysosomal membrane（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cytosolic protein 細胞質タンパク（cytosolic protein）cytosolic protein（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lysosomal membrane リソソーム膜（lysosomal membrane）lysosomal membrane（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：

1. 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
2. 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

💡 「非選択的／選択的」と「マクロ／ミクロ／CMA」は別の軸である。 前者は何を運ぶか（バルクか特定貨物か）、後者はどうやって運ぶか（膜で包む／陥入する／膜を直接通す）の分類で、直交している。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） は非選択的にも選択的にも働き（ミトファジー・ペキソファジー・ゼノファジー等はすべて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） を使う選択的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） である）、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） にも選択型がある。「マクロ＝非選択的、CMA＝選択的」と1対1に対応させて覚えないこと。

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：

1. 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）
2. 感染（侵入する細胞内病原体）
3. タンパク質毒性ストレス（発熱）
4. 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 turnoverターンオーバー（turnover） turnover（ターンオーバー）
• 腫瘍抑制（ただし下記⚠️のとおり癌における役割は段階依存性で二面性がある）
• 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＝腫瘍抑制」と一方向に覚えない。 癌におけるオートファジーの役割は発癌の段階によって逆転する（paradoxical / dual role）¹。正常細胞が癌化する初期段階では、損傷細胞小器官 organelles細胞小器官（organelles） organelles（細胞小器官）・活性酸素種reactive oxygen species (ROS)活性酸素種（reactive oxygen species (ROS)）reactive oxygen species (ROS)（活性酸素種）・タンパク質凝集体を除去してゲノム安定性を保ち慢性炎症性微小環境の形成を抑えることで腫瘍抑制的に働く（Beclin-1をコードするBECN1はヒト散発性の乳癌・卵巣癌・前立腺癌の40〜75%で片アレル欠失しており、beclin 1ヘテロ欠損マウスは自然発生 spontaneous 自然発生（spontaneous） spontaneous（自然発生） 腫瘍が増える²）。しかしいったん腫瘍が成立すると、低酸素・栄養飢餓 starvation 飢餓（starvation） starvation（飢餓） という過酷な環境で癌細胞の代謝要求を満たし生存を支える腫瘍促進的な働きに転じる。だからオートファジー阻害薬が抗癌薬 anticancer drug 抗癌薬（anticancer drug） anticancer drug（抗癌薬） として研究される一方、オートファジー誘導が癌予防的に議論されるという、一見矛盾した状況が生じる。

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 upregulation 上方調節（upregulation） upregulation（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lysosomal membrane リソソーム膜（lysosomal membrane）lysosomal membrane（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 turnover ターンオーバー（turnover） turnover（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→クラスIII <span class='jp-term jp-term-diagram' title='phosphoinositide 3-kinase'>PI3K</span>（VPS34/Beclin1）がPI3Pを産生→WIPI2など動員→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"]

1. 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
2. 小胞核形成 nucleation 核形成（nucleation） nucleation（核形成） ： ULK1がBeclin1をリン酸化してクラスIII PI3KPI3K（phosphoinositide 3-kinase）複合体（VPS34-VPS15-Beclin1-ATG14L）を活性化し、これが膜上にPI3P（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） 3-リン酸）を産生する→WIPI2・DFCP1などのPI3P結合タンパク質が動員され膜が成長する³
3. 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
4. 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 protein SNARE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
5. 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 lysosomal membrane リソソーム膜（lysosomal membrane） lysosomal membrane（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 cytosolic protein 細胞質タンパク（cytosolic protein） cytosolic protein（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 lysosomal membrane リソソーム膜（lysosomal membrane） lysosomal membrane（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 lysosomal membrane リソソーム膜（lysosomal membrane） lysosomal membrane（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） （5アミノ酸のモチーフ）——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。長期の栄養欠乏 nutritional deficiency 栄養欠乏（nutritional deficiency） nutritional deficiency（栄養欠乏） 下では細胞質タンパク cytosolic protein 細胞質タンパク（cytosolic protein） cytosolic protein（細胞質タンパク） 質の約30%がCMAで分解される⁴。

CMAの段階：

1. 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
2. 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） 2A（LAMP-2A）——この経路の受容体として機能する——に結合する
3. LAMP-2A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 lysosomal membrane リソソーム膜（lysosomal membrane） lysosomal membrane（リソソーム膜） を横断して転位される
4. 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の受容体は「LAMP-2」ではなく、そのスプライス変異体「LAMP-2A」である。 lamp2遺伝子は3つのスプライス変異体 LAMP-2A/2B/2C スプライス変異体（LAMP-2A/2B/2C） LAMP-2A/2B/2C（スプライス変異体） を作り、CMA受容体として働くのはLAMP-2Aだけである⁵。LAMP-2Aは単量体 monomer 単量体（monomer） monomer（単量体） で基質を捕まえ、転位のときに多量体 oligomer / multimer 多量体（oligomer / multimer） oligomer / multimer（多量体） 複合体へ集合するという動的な組み立て/解体を繰り返す。加齢に伴うCMA活性の低下は、リソソーム膜lysosomal membrane リソソーム膜（lysosomal membrane）lysosomal membrane（リソソーム膜） 上のLAMP-2A量の減少が原因である⁶——上の「オートファジーは加齢とともに減少する」の分子的実体がこれ。

⭐ CMAはストレス因 stressor ストレス因（stressor） stressor（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。

💡 Hsc70を使う経路はもう1つある：エンドソーム endosomeエンドソーム（endosome） endosome（エンドソーム）・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） （e-MI）。 2011年に記載された経路で、Hsc70が同じKFERQモチーフを認識するが、行き先はリソソームではなく後期エンドソームlate endosome後期エンドソーム（late endosome）late endosome（後期エンドソーム）／多胞体multivesicular body 多胞体（multivesicular body）multivesicular body（多胞体） （MVB）であり、ESCRT-I／ESCRT-III系による小胞形成に依存して貨物を丸ごと小胞内へ取り込む⁷⁸。CMAが「膜を通す1分子ずつの輸送」なのに対し、e-MIは「膜で包む」——同じ認識シグナル（KFERQ＋Hsc70）から2つの異なる搬入様式へ分岐する点が要点である。飢餓starvation 飢餓（starvation）starvation（飢餓） 開始1時間以内にp62/SQSTM1・NBR1・NDP52などのオートファジー受容体を速やかに分解するのはこのe-MIである⁹。上の「3種類」の枠組みは今も骨格として有効だが、この4番目の経路が加わったと理解しておくとよい。

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を介したクラスIII PI3K活性化→PI3P産生→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）はバルク分解も選択的分解（ミトファジー等）も担い、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 lysosomal membrane リソソーム膜（lysosomal membrane） lysosomal membrane（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・LAMP-2A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）。同じKFERQ／Hsc70認識を使いながらESCRT依存性に後期エンドソーム late endosome 後期エンドソーム（late endosome） late endosome（後期エンドソーム） へ運ぶエンドソーム endosomeエンドソーム（endosome） endosome（エンドソーム）・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） （e-MI）が第4の経路として加わった。
• オートファジーは長寿・抗原提示に関与し、加齢とともに（CMAではLAMP-2Aの減少を介して）機能が低下することが老化性疾患の一因となる。癌に対する役割は発癌初期の腫瘍抑制と成立後の腫瘍促進という二面性を持つ。