分子細胞生物学

分子細胞生物学 · 56

非アポトーシス性のプログラム細胞死の種類(EM学生のみ)

Types of non-apoptotic programmed cell death (only for EM-students)

🧠 アポトーシス(55-function-and-activation-of-apoptotic-caspases-role-of-granzyme-b)が「炎症を起こさず静かに死ぬ」経路だとすれば、ここで扱う4つの様式は全て「膜が破れて炎症を起こす」という共通の結末を持ちながら、そこに至る引き金が異なる4本の別々の道である。 (病原体感染→→孔)、(受容体→RIPK1/3→MLKL孔)、(損傷過剰→PARP1→AIF)、(鉄依存性の)——それぞれ異なるセンサーと実行タンパク質を持つが、いずれも「または膜破裂」という物理的終着点に収束する。

アポトーシスと非アポトーシス性プログラム細胞死の違い

アポトーシスと非アポトーシス性プログラム細胞死の主な違いは炎症の誘導である:

  • アポトーシス: 細胞は溶解を伴わずに縮小する(は破れない)。内容物を放出しない→炎症は誘導されない
  • 非アポトーシス性細胞死: 細胞は膨張し溶解する→細胞内容物を放出する→炎症を誘導する

(ネクローシスとの違いは55-function-and-activation-of-apoptotic-caspases-role-of-granzyme-b参照)

💡 ここで扱う4つは「制御された細胞死の全部」ではなく、代表的な4様式である。 の2018年勧告は、形態ではなくを基準に、内因性/外因性アポトーシス、MPT(遷移)駆動性ネクローシス、、、、、エントーシス性細胞死、NETosis性細胞死、リソソーム依存性細胞死、オートファジー依存性細胞死、、、有糸分裂カタストロフを別々に定義している1。試験で問われる4様式を軸にしつつ、「非アポトーシス性=この4つだけ」と閉じないでおく。

ピロプトーシス

病原体感染により引き起こされる細胞死。

特徴 内容
生化学的特徴 炎症性カスパーゼ(、非カノニカル経路ではカスパーゼ4/5/11)によるD切断+の放出
形態学的特徴 クロマチンの不可逆的凝縮+細胞浮腫と破裂
主要タンパク質 +NLRP3+D(孔の実体)
免疫学的特徴 (細胞内に炎症を引き起こす)

カスパーゼ1の役割

が活性化されると、多くのことを行える:

  • 細胞膜に孔を作らせる(イオンがこの孔を通って細胞に出入りできる)——⚠️ 孔を作るのは自身ではない。 (および細胞質のLPSを直接認識する非カノニカル経路のカスパーゼ4/5/11)がDのN末端ドメインとC末端ドメインをつなぐを切断し、自己抑制から解放されたN末端断片が膜へ挿入して孔を作る2。Dを欠く細胞ではがIL-1βを正常にプロセシングしてもは起こらない
  • 媒介性の切断+核内での凝縮を担う
  • 細胞の膨張と溶解を引き起こす(水が細胞内へ流入するため)
  • 細胞内でサイトカインをプロセシングできる→(1) 依存性の孔 (2) 微小小胞 (3) リソソームを介して細胞を出る→炎症促進過程を生じさせる

ピロプトーシスの誘導

  • はとに見出される
  • リガンドに結合すると、NLRP(NOD様受容体=ヌクレオチド結合ドメイン)の助けを借りて異なる経路を活性化できる
  • 活性化された経路(NF-κB、MAPK、IRF、43-nf-b-and-tgf-signaling・44-structure-and-function-of-tyrosine-kinase-receptors-the-erkl-erk2-map-kinase参照)はさらに産生を開始できる:
    • 直接的に:()、12・6・8→炎症の発生
    • の活性化とともにPro-IL-1βとPro-IL-18をプロセシング:IL-1β+IL-18
flowchart TD
  A["病原体(TLRリガンド)が受容体に結合"] --> B["NLRP3などにより<span class='jp-term jp-term-diagram' title='inflammasome'>インフラマソーム</span>形成"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='caspase-1'>カスパーゼ1</span>の活性化"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='gasdermin'>ガスデルミン</span>D切断→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pore formation'>膜孔形成</span>"]
  C --> E["Pro-IL-1β/IL-18のプロセシング"]
  D --> F["水の流入→細胞浮腫・溶解"]
  E --> G["IL-1β・IL-18の放出"]
  F --> H["炎症"]
  G --> H

を起こす細胞では、(Gasdermin)孔が上に形成され、水の流入とをもたらす→炎症。

ネクロプトーシス

外部からの外傷により引き起こされる細胞死。

特徴 内容
生化学的特徴 ATPレベルの低下+RIPK1(キナーゼ)、RIPK3、MLKLの活性化
形態学的特徴 の破裂+の膨張+クロマチン凝縮
主要タンパク質 RIPキナーゼ1、RIPキナーゼ3、MLKL(mixed lineage kinase domain-like pseudokinase)
免疫学的特徴 ほぼ

ネクロプトーシスの調節

  • TNFR1(受容体)がαに結合する→複合体1が形成される
  • 複合体1はNF-κB経路を開始でき、細胞を生存の方向へ向かわせる
  • 損傷が大きすぎる場合→複合体2が形成される=2種類の複合体2がある
  • 複合体2aと2bは細胞を死へ導く:カスパーゼ8を活性化すればアポトーシス、カスパーゼ8が阻害されればRIPキナーゼ1/3+MLKLのリン酸化によりが誘導される

RIPK1の役割

RIPキナーゼ1は、中間ドメイン、、RHIM(RIP homotypic interaction motif)を持つ。3通りの状況がありうる:

  1. TAK1酵素がRIPK1をリン酸化する→複合体2aが形成される→アポトーシス
  2. TAK1が存在しない場合→リン酸化なし→複合体2bが形成される→アポトーシス
  3. TAK1が大量に存在する場合→複数回のリン酸化→が→複数のRIPK1がを介して互いに結合する→がされる→RIPK1がRIPK3を活性化する

💡 この3分岐は「TAK1によるRIPK1中間ドメインのリン酸化の量」で読むと覚えやすい。 リン酸化が無い→RIPK1依存性アポトーシス(複合体2b)、一過性→RIPK1非依存性アポトーシス(複合体2a)、複数部位で持続→RIPK1がRIPK3と結合し、という3状態モデルとして報告されている3。

RIPK3の役割

  • RIPK1と同じ構造を持つが、を持たない
  • 活性化されたRIPK1がRIPK3をリン酸化する
  • プロテアーゼADAM17もRIPK3をリン酸化するが、しない場合→アポトーシス
  • リン酸化されたRIPK3はされた状態でRIPK1に結合する:
    • タンパク質CHIPが複合体をリソソームで分解させる
    • RIPK3のが保たれたままRIPK1-RIPK3複合体が形成されると、MLKLが活性化される→

⚠️ A20はこの段階の「アクセル」ではなく「ブレーキ」である。 A20はRIPK3のK63型を制限してRIPK1-RIPK3複合体の形成を抑え、細胞をから守る。A20欠損細胞ではRIPK1-RIPK3複合体形成が亢進し、カスパーゼ非依存性・RIPK3依存性のが起こりやすくなる4。

MLKLの役割

  • N末端ドメイン、ブレース領域(BR)、を持つ
  • RIPK3がMLKLをリン酸化する→MLKL構造が緩む=必要な変化である、これにより他のMLKLと結合できるようになる→を形成する→同士が結合し八量体を形成する→八量体構造が細胞膜へ運ばれる→MLKLが細胞膜に孔を形成する→(イオンが無秩序に細胞へ出入りできるようになる)
flowchart TD
  A["TNFα-TNFR1"] --> B["複合体1形成→NF-κB→生存"]
  A --> C["損傷過大:複合体2形成"]
  C --> D["カスパーゼ8が活性→アポトーシス"]
  C --> E["カスパーゼ8が阻害"]
  E --> F["RIPK1がRIPK3をリン酸化"]
  F --> G["RIPK3がMLKLをリン酸化"]
  G --> H["MLKL<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tetramer'>四量体</span>→八量体形成"]
  H --> I["細胞膜に孔形成"]
  I --> J["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='necroptosis'>ネクロプトーシス</span>(炎症)"]

パルタナトス

PARの蓄積とミトコンドリアからのAIFの核内転位により引き起こされる細胞死。

特徴 内容
生化学的特徴 ミトコンドリア脱分極+ATP・枯渇+AIF()放出/PARポリマー蓄積+急速なPARP-1活性化
形態学的特徴 クロマチン凝縮++の喪失
主要タンパク質 PAR、PARP-1、AIF
免疫学的特徴 虚血+損傷+脳卒中との関連

パルタナトスの調節

  • は損傷により開始される——(1) 損傷が重篤でなければ、細胞は修復を試みる=成功すれば細胞死は起こらない (2) 損傷が重篤すぎる場合、PARP酵素が損傷部位に結合する→NAD(+)をADPとアミドへ切断し始める
  • 切り出されたADPは核内で鎖状のポリマーを形成する(=PAR、poly ADP ribose polymer)→細胞質へ入る(結合型または遊離型で)→PARの蓄積→細胞内のNAD(+)とATPの量が減少する→エネルギーレベルが低下する
  • PAR分子が細胞に入った後、に結合する→の放出→AIFが核へ転位し、そこへMIF()を引き込む→核内のMIFがとしてゲノムを大断片へ切断する=とクロマチン凝縮5

⚠️ 向きに注意。 「MIFがAIFを核へ運ぶ」のではなく、AIFがMIFを核へリクルートする(AIFの核転位がMIFのに必須)。切断活性を持つのはMIFの側で、AIF-MIF相互作用の破壊やMIF触媒ドメインのE22変異でクロマチン融解・細胞死が阻止される5。

→ クロマチン凝縮、、エネルギーレベルの低下により、全過程が細胞死をもたらす。

flowchart TD
  A["重篤な<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>損傷"] --> B["PARP-1が損傷部位に結合・活性化"]
  B --> C["NAD(+)を切断しPARポリマーを産生"]
  C --> D["PARの蓄積:NAD(+)・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ATP depletion'>ATP枯渇</span>"]
  D --> E["PARが<span class='jp-term jp-term-diagram' title='mitochondrial outer membrane'>ミトコンドリア外膜</span>に結合"]
  E --> F["AIF放出→MIFにより核内転位"]
  F --> G["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span><span class='jp-term jp-term-diagram' title='fragmentation'>断片化</span>・クロマチン凝縮"]
  G --> H["細胞死(<span class='jp-term jp-term-diagram' title='parthanatos'>パルタナトス</span>)"]

フェロトーシス

鉄依存性の細胞死。

特徴 内容
生化学的特徴 /の阻害とGSHレベルの低下/GPX4阻害、鉄蓄積+
形態学的特徴 ミトコンドリア膜密度増加を伴う小型ミトコンドリア/の減少・消失/破裂と正常な核
主要タンパク質 GPX4+TFR1+Xc(-グルタミン酸。取り込むのは、汲み出すのはグルタミン酸)
免疫学的特徴

はほぼ全ての臓器で観察されている(、脳卒中、、膵臓癌、など多くの疾患と関連)。

フェロトーシスの誘導:2つの経路

1. -グルタミン酸(Xc):

  • この輸送体はグルタミン酸を細胞外へ汲み出し、を取り込む→細胞内でシステインが産生される→システインはの合成に重要である=細胞の酸化環境の維持を助ける→はを脂質アルコールへ変換する酵素を活性化する→の有害な効果を減少させる

→ この機構はROS()を阻害できる。

2. :

  • TFR1はイオン(Fe³⁺)に結合でき、これらのイオンはへ入る→イオンはイオン(Fe²⁺)へ還元される→イオンは(divalent metal transporter 1)を介してを出る→細胞内に蓄積し不安定鉄プールを形成する→これらのイオンはROSを産生できる(を介して)→ROSの蓄積→細胞内の→

フェントン反応

  1. イオン(、O2⁻)がミトコンドリア・オキシダーゼ・P450により酸素から産生される→(SOD)がを形成する
  2. はカタラーゼ酵素・・によりH2O+O2へ分解される
  3. イオンが過剰にある場合、がこれと反応しイオンと(HO)・(OH⁻)を生じる→これらはROSの一部であり、さらなる反応を誘導しうる

脂質過酸化物の産生

  1. 脂質()から、が酸素とともにを産生できる
  2. はにより脂質アルコールとH2Oへ分解される
  3. 細胞内に鉄イオンが過剰にある場合、から別の脂質酸化物が産生されうる→さらなる形成を開始しうる

⭐ まとめると: 鉄イオンの増加により、細胞内でより多くのROSとが産生される→細胞はを起こす。p53はシステイン-グルタミン酸の活性を阻害することでを促進しうる——p53がアポトーシス(54-members-of-the-bcl-2-superfamily-and-their-roles-in-various-apoptotic-pathways参照)だけでなく、複数の細胞死様式にまたがる調節因子であることを示す一例である。

flowchart TD
  A["Xc<span class='jp-term jp-term-diagram' title='antiporter'>アンチポーター</span>阻害(p53等による)"] --> B["システイン・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='glutathione'>グルタチオン</span>減少"]
  C["TFR1経由の鉄取り込み"] --> D["不安定鉄プール(LIP)形成"]
  B --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='lipid peroxide (ROOH)'>脂質過酸化物</span>の分解能低下"]
  D --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Fenton reaction'>フェントン反応</span>→ROS産生"]
  F --> G["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='lipid peroxidation'>脂質過酸化</span>"]
  E --> G
  G --> H["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ferroptosis'>フェロトーシス</span>"]

まとめ

  • 非アポトーシス性プログラム細胞死は共通して膜の破裂・膨張により細胞内容物を放出し炎症を誘導する点でアポトーシスと異なる。
  • 4様式はNCCD 2018が分子基準で定義する十数種の制御された細胞死の一部であり、「非アポトーシス性=この4つ」ではない1。
  • (病原体感染→炎症性カスパーゼ→D切断→N末端断片が孔を形成)、(受容体経由の損傷→RIPK1/RIPK3→MLKL孔)、(重篤な損傷→PARP1→PAR蓄積→AIF核内転位)、(鉄蓄積による→)はそれぞれ異なる引き金と実行タンパク質を持つが、いずれも膜の破綻という共通の終着点に至る。
  • p53はアポトーシスだけでなく(Xc阻害を介して)にも関与し、複数の細胞死経路を横断する調節因子として働く。

出典

  1. 1.Molecular mechanisms of cell death: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2018(Cell Death and Differentiation・2018)細胞死命名委員会(NCCD)2018年勧告は、内因性/外因性アポトーシス、MPT駆動性ネクローシス、ネクロプトーシス、フェロトーシス、ピロプトーシス、パルタナトス、エントーシス性細胞死、NETosis、リソソーム依存性細胞死、オートファジー依存性細胞死、免疫原性細胞死、細胞老化、有糸分裂カタストロフを分子基準で定義しており、本ノートが扱う4様式はこの枠組みの一部である閲覧 2026-08-22
  2. 2.Cleavage of GSDMD by inflammatory caspases determines pyroptotic cell death(Nature・2015)ピロプトーシスの孔はカスパーゼ1自身ではなくガスデルミンDが作る。カスパーゼ1およびカスパーゼ4/5/11がガスデルミンDのN末端-C末端間リンカーを切断し、遊離したガスデルミンN末端ドメインが孔形成活性を持つ。カスパーゼ4/5/11は細胞質のLPSを直接認識する(非カノニカル経路)閲覧 2026-08-22
  3. 3.Regulation of RIPK1 activation by TAK1-mediated phosphorylation dictates apoptosis and necroptosis(Nature Communications・2017)TAK1によるRIPK1中間ドメインのリン酸化が「無し・一過性・持続的(複数部位)」の3状態を取り、それぞれRIPK1依存性アポトーシス、RIPK1非依存性アポトーシス、ネクロプトーシス(RIPK3との結合)を決める閲覧 2026-08-22
  4. 4.The ubiquitin-modifying enzyme A20 restricts ubiquitination of the kinase RIPK3 and protects cells from necroptosis(Nature Immunology・2015)A20はRIPK3のK63ユビキチン化を制限してRIPK1-RIPK3複合体形成を抑え、ネクロプトーシスから細胞を守る。A20欠損細胞ではRIPK1-RIPK3複合体形成が亢進しネクロプトーシスが起こりやすい閲覧 2026-08-22
  5. 5.A nuclease that mediates cell death induced by DNA damage and poly(ADP-ribose) polymerase-1(Science・2016)パルタナトスではAIFが核へ転位し、AIFがMIF(マクロファージ遊走阻止因子)を核へ引き込む。核内のMIFがヌクレアーゼ(PAAN)としてゲノムDNAを大断片へ切断する。AIF-MIF相互作用の破壊やMIFの触媒ドメインE22変異でクロマチン融解と細胞死が阻止される閲覧 2026-08-22