タンパク質分泌経路；小胞輸送の調節におけるRabサイクルの役割

🧠 小胞輸送vesicular transport 小胞輸送（vesicular transport）vesicular transport（小胞輸送） は「誰が積み荷を選ぶか」（コートタンパク質：クラスリン／COP-I／COP-II、それぞれ輸送方向が固定）と「誰が正しい相手とだけ融合させるか」（Rabサイクル）という2つの独立した問題を解く仕組みである。 コートタンパク質は膜を球状 spherical 球状（spherical） spherical（球状） に変形させ積み荷を選別するだけで、行き先の正しさまでは保証しない——その特異性を担保するのがRab（GDP/GTPスイッチ）であり、Rab-GTPが標的膜上のテザリング tethering テザリング（tethering） tethering（テザリング） タンパク質（＝Rabのエフェクター）とだけ結合することで、SNARE同士のペアリングと最終的な膜融合 membrane fusion 膜融合（membrane fusion） membrane fusion（膜融合） という後戻りできないステップへと進む。ARF1（COP-I）とSar1（COP-II）もRabと同じ「GDP/GTPスイッチ」という共通言語を使っており、この単元全体は結局のところ「GTPaseスイッチが輸送の各段階に特異性を与える」という1つの原理の繰り返しである。

小胞輸送の必要性

タンパク質は小胞を介して輸送・分泌される。全ての細胞は形質膜 plasma membrane 形質膜（plasma membrane） plasma membrane（形質膜） （PM）に囲まれ、これが細胞質と細胞外マトリックス extracellular matrix (ECM) 細胞外マトリックス（extracellular matrix (ECM)） extracellular matrix (ECM)（細胞外マトリックス） を分離している。真核細胞eukaryote 真核細胞（eukaryote）eukaryote（真核細胞） はまた膜によって細胞内区画 intracellular compartment 細胞内区画（intracellular compartment） intracellular compartment（細胞内区画） ＝オルガネラへ分離されている。細胞内区画intracellular compartment 細胞内区画（intracellular compartment）intracellular compartment（細胞内区画） と細胞外マトリックス extracellular matrix (ECM) 細胞外マトリックス（extracellular matrix (ECM)） extracellular matrix (ECM)（細胞外マトリックス） の間のコミュニケーション communication コミュニケーション（communication） communication（コミュニケーション） は維持されなければならず、これは輸送機構によって達成される：

• 拡散（ガス分子、小さな非極性 Nonpolar 非極性（Nonpolar） Nonpolar（非極性） 分子）
• タンパク質媒介性の膜貫通輸送（膜貫通チャネル/受容体による）
• 小胞輸送vesicular transport小胞輸送（vesicular transport）vesicular transport（小胞輸送）

小胞輸送とは

膜で囲まれた区画間の輸送——細胞外環境と細胞内環境の間の輸送を含む。

• 常にドナー膜（＋融合が生じるターゲット膜）を必要とする
• 異なる区画の機能を維持するために必要である（例：リソソームは加水分解酵素 Hydrolase 加水分解酵素（Hydrolase） Hydrolase（加水分解酵素） を要する。これらが届けられなければ、リソソームはその機能を実行できない）
• 小胞輸送vesicular transport 小胞輸送（vesicular transport）vesicular transport（小胞輸送） の特異性は非常に重要である：
  • 何を、どこへ輸送するかについて特異的である必要がある
  • 特異性の理由は区画の性格にあり、これは主に膜で囲まれた空間の組成によって定義される
  • 膜はマーカーによって助けられており、これが入ってくる交通を導く——小胞が正しい区画とのみ融合することを保証する

小胞形成の段階

1. コートタンパク質（クラスリン、COP-I、COP-II）が膜に集合すると、脂質二重層lipid bilayer 脂質二重層（lipid bilayer）lipid bilayer（脂質二重層） を曲げ始めさせる
2. 膜に集まる際、コートタンパク質は形成中の小胞へ包装される積み荷を選択することもある
3. さらにコートタンパク質が加わると、周囲の膜を球状 spherical 球状（spherical） spherical（球状） に成形する
4. 被覆小胞がくびれ切れると、コートが外れ、積み荷で満たされた小胞が目的地へ向かう準備が整う

タンパク質コート

3種類の異なるタンパク質コート protein coats タンパク質コート（protein coats） protein coats（タンパク質コート） がある：クラスリン、COP-I、COP-II。

コートは通常2層からなる：内層inner layer 内層（inner layer）inner layer（内層） コート（適切な積み荷を選択しコートタンパク質の集合を可能にする）、外層outer layer 外層（outer layer）outer layer（外層） コート（バスケット状の格子 grating 格子（grating） grating（格子） として曲面を形成し膜の経路を変形させ小胞を成形する）。

クラスリン被覆小胞

• 1つのクラスリン分子は3本の重鎖 heavy chain 重鎖（heavy chain） heavy chain（重鎖） と3本の軽鎖を持ち、トリスケリオンtriskelion トリスケリオン（triskelion）triskelion（トリスケリオン） と呼ばれる三脚構造を形成する
• 1つのクラスリン分子の1本の脚は別のクラスリン分子の脚に結合する→これにより小胞表面全体を覆う
• 積み荷分子は成長中の芽の細胞膜にある（特異的な）積み荷受容体に結合する
• クラスリン分子はアダプチンadaptinアダプチン（adaptin）adaptin（アダプチン）と呼ばれる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） 複合体を介して積み荷受容体に結合する（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） 脂質＝PIPsにより積み荷受容体を認識する）
  • AP1： トランスゴルジに局在、リソソーム加水分解酵素lysosomal hydrolase リソソーム加水分解酵素（lysosomal hydrolase）lysosomal hydrolase（リソソーム加水分解酵素） を運ぶ
  • AP2： PMに局在、エンドサイトーシス中に機能する
  • AP3： リソソームへの輸送
  • AP4： かつては「あまり知られていない」とされたが、現在はトランスゴルジ網からオートファジー関連膜タンパク質 membrane proteins 膜タンパク質（membrane proteins） membrane proteins（膜タンパク質） ATG9A（ほかSERINC1/3）を積み出す経路として同定されている¹
• 積み荷受容体＋アダプチン adaptin アダプチン（adaptin） adaptin（アダプチン） 複合体＝内層 inner layer 内層（inner layer） inner layer（内層） コート

💡 アダプチンadaptin アダプチン（adaptin）adaptin（アダプチン） 複合体は現在AP-1〜AP-5の5種類が知られている。 2013年に確立したAP-5は、遺伝性痙性対麻痺hereditary spastic paraplegia 遺伝性痙性対麻痺（hereditary spastic paraplegia）hereditary spastic paraplegia（遺伝性痙性対麻痺） の原因タンパク質SPG11・SPG15とほぼ1:1の化学量論 stoichiometry 化学量論（stoichiometry） stoichiometry（化学量論） で複合体を作り、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）／リソソーム上で働く²。AP-4とAP-5はいずれも変異が神経疾患 neurological disorder 神経疾患（neurological disorder） neurological disorder（神経疾患） を起こす——AP-4欠損症は小児期発症の遺伝性痙性対麻痺 hereditary spastic paraplegia 遺伝性痙性対麻痺（hereditary spastic paraplegia） hereditary spastic paraplegia（遺伝性痙性対麻痺） （SPG47＝AP4B1、SPG50＝AP4M1、SPG51＝AP4E1、SPG52＝AP4S1）として現れ、ATG9Aがトランスゴルジ網に溜まって末梢軸索から枯渇するのが細胞レベル Cellular 細胞レベル（Cellular） Cellular（細胞レベル） の指標になる³。

• ダイナミンdynaminダイナミン（dynamin）dynamin（ダイナミン）（および関連タンパク質）は膜からの小胞の出芽を触媒する細胞質タンパク cytosolic protein 細胞質タンパク（cytosolic protein） cytosolic protein（細胞質タンパク） 質である
  • ダイナミンdynamin ダイナミン（dynamin）dynamin（ダイナミン） は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） 結合ドメインを含み、これがタンパク質を膜に係留する
  • ダイナミンdynamin ダイナミン（dynamin）dynamin（ダイナミン） （GTPase活性）は小胞の頸部の周囲で重合する→GTPをGDPへ加水分解する→このエネルギーを利用して小胞の解放を実行する
  • 膜の2つの「葉」を近づけ、最終的に融合させドナー膜から小胞を分離させる
• クラスリン小胞の脱コートはHsc70-ATP補助クラスリンにより触媒され、ATPを加水分解しこのエネルギーを用いて小胞からクラスリンコートを剥がす→脱コートは小胞が形成される前に起こらないことが重要である

COP-I被覆小胞

トランスゴルジからシスゴルジ＋ERへタンパク質を輸送する→タンパク質が誤って折り畳まれた場合、逆行性経路が用いられる。

• ARF1はコート動員GTPase（Ras様Gタンパク質）であり、ゴルジ膜（シスゴルジ）でのCOP-1コートの組み立てを担う

1. ゴルジ膜において、ARF-GDPがp23ホモオリゴマー oligomer オリゴマー（oligomer） oligomer（オリゴマー） （単量体monomer 単量体（monomer）monomer（単量体） は同一）に結合する
2. 結合すると、Sec7と呼ばれるGEF（グアニンヌクレオチド交換因子guanine nucleotide exchange factor (GEF)グアニンヌクレオチド交換因子（guanine nucleotide exchange factor (GEF)）guanine nucleotide exchange factor (GEF)（グアニンヌクレオチド交換因子））がGDPをGTPに交換する＝ARF1の活性化
3. ARF1-GTPが活性化されると、p23を放出しゴルジ膜に直接結合する
4. p23はその後p24に結合する→コートマー coatomer (COP coat protein) コートマー（coatomer (COP coat protein)） coatomer (COP coat protein)（コートマー） が組み立てられるヘテロオリゴマー oligomer オリゴマー（oligomer） oligomer（オリゴマー） 複合体を形成する（コートマーcoatomer (COP coat protein) コートマー（coatomer (COP coat protein)）coatomer (COP coat protein)（コートマー） ＝膜結合性 membrane-bound 膜結合性（membrane-bound） membrane-bound（膜結合性） 輸送小胞を覆うタンパク質複合体）
5. 小胞が十分に大きくなると、BARドメインタンパク質とDAGDAG（diacylglycerol）が小胞の出芽を担う
6. コートの脱組立てのため、ARF1上のGTPはGAP（GTPase活性化タンパクGTPase-activating protein GTPase活性化タンパク（GTPase-activating protein）GTPase-activating protein（GTPase活性化タンパク） 質）によりGDPへ加水分解される→このARF-GDPは不活性でありもはやコートマー coatomer (COP coat protein) コートマー（coatomer (COP coat protein)） coatomer (COP coat protein)（コートマー） に結合できない＝脱組立て→小胞のターゲット膜との融合

COP-II被覆小胞

ERからゴルジ（シス）へタンパク質を輸送する＝順行性 antegrade 順行性（antegrade） antegrade（順行性） 経路。

1. Sar1（ARFと類似のRas様Gタンパク質）はGDPに結合しているとき不活性である
2. Sec12（＝Sar1-GEF）がGDPをGTPへ触媒する→Sar1-GTPを活性化する
3. Sar1-GTPはその両親媒性ヘリックス amphipathic helix 両親媒性ヘリックス（amphipathic helix） amphipathic helix（両親媒性ヘリックス） （このヘリックスはSar1がGTPに結合した後にのみ利用可能になる）を介して直接ER膜に結合する
4. Sar1はその後アダプター複合体Sec24-Sec23を動員し、内層inner layer 内層（inner layer）inner layer（内層） コートを形成する
5. Sec23はSar1に結合する（Sec23は将来GAPとして機能する＝GTPのGDPへの加水分解）
6. Sec24はER膜内の積み荷受容体に結合する
7. コートタンパク質Sec13/31がアダプター複合体Sec24/23に結合しCOP-II小胞の外層 outer layer 外層（outer layer） outer layer（外層） コートを形成する

Rabサイクル

小胞は細胞骨格上のモータータンパク質 motor proteinモータータンパク質（motor protein） motor protein（モータータンパク質）に、直接または、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） を介して結合している。Rabは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） であり、同時にGTPase（低分子単量体 monomer 単量体（monomer） monomer（単量体） Gタンパク質）でもある→GDP結合時は不活性、GTP結合時は活性。RabがGTPに結合すると、小胞に結合し輸送を媒介できる。Rabは小胞が形成されている間に小胞に結合するため、コートの下に位置しコートが脱組立てされても解離しない。

flowchart TD
  A["Rab合成：GDP結合＝不活性"] --> B["REPがRab-GGTaseへ提示→ゲラニルゲラニル基が付加される"]
  B --> C["Rab-GDPがドナー膜へ輸送される"]
  C --> D["膜上のGEFがGDPをGTPへ交換"]
  D --> E["Rab-GTP：活性化、小胞と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='motor protein'>モータータンパク質</span>に結合"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='SNARE protein'>SNAREタンパク質</span>を介した小胞のターゲット膜との融合を助ける"]
  F --> G["Rab-GTPがGDPへ加水分解され小胞から解離"]
  G --> H["GDI（GDP dissociation inhibitor）がRab-GDPに結合"]
  H --> I["GDIがRab-GDPをドナー膜へ輸送"]
  I --> J["GDF（GDI displacement factor）がGDIを除去"]
  J --> A

1. Rabが合成されると、まずGDPに結合し不活性である
2. Rab-GDPはREP（Rab escort protein）と出会う。プレニル基（疎水性分子hydrophobic molecule疎水性分子（hydrophobic molecule）hydrophobic molecule（疎水性分子））を実際にRabのC末端システインへ転移するのはREPではなくRabゲラニルゲラニル転移酵素（Rab-GGTase＝GGTase-II）であり、REPは未修飾のRabに結合してこの酵素へ「提示」する役割を担う⁴——付加されるゲラニルゲラニル基は通常2個で、これによりRabは膜に結合できるようになる。転移後もREPはプレニル化 prenylation プレニル化（prenylation） prenylation（プレニル化） Rabと結合したまま、Rabをドナー膜へ輸送する
3. プレニル基を持つRab-GDPは膜上のGEFと相互作用できる→GEFがGDPをGTPと交換する→Rabが活性化され、小胞とモータータンパク質 motor protein モータータンパク質（motor protein） motor protein（モータータンパク質） に結合し輸送を担えるようになる
4. RabはSNAREタンパク質 SNARE protein SNAREタンパク質（SNARE protein） SNARE protein（SNAREタンパク質） を介して小胞のターゲット膜との融合を助ける→小胞がRabから解離する必要があるとき、Rab-GTPはGDPへ加水分解される
5. GDI（GDP解離阻害因子）が小胞の放出後にRab-GDPに結合し、不活性なRabをドナー膜へ輸送し戻す→Rabは新しい小胞の輸送を媒介できる＝サイクルが再び始まる

RabがREPではなくGDIとともにドナー膜へ輸送される場合、ドナー膜はGDF（GDI displacement factor）を通じてGDIを除去する→GEFがRabに作用できるようになる。

⚠️ プレニル基を「付ける」のはREPではなく転移酵素である。 ただしREPは触媒しないだけで不要ではない——ゲラニルゲラニル基の転移はREPの参加に絶対的 absolute 絶対的（absolute） absolute（絶対的） に依存する⁵。REP-1をコードするX染色体上の遺伝子（CHM）の欠損は網膜変性 retinal degeneration 網膜変性（retinal degeneration） retinal degeneration（網膜変性） 疾患コロイデレミアを起こし、REP-2が他組織では代替できるのに網膜では代償しきれないことが失明の背景と考えられている。

小胞のアクセプター/ターゲット膜への係留

1. 認識： 小胞内のRabタンパク質がターゲット膜内のテザリング tethering テザリング（tethering） tethering（テザリング） タンパク質（＝Rabのエフェクター）に結合する。異なる型のRabタンパク質は異なる型のテザリング tethering テザリング（tethering） tethering（テザリング） タンパク質に結合する→小胞の特異性を高める
2. ドッキングdocking ドッキング（docking）docking（ドッキング） ： テザリングtethering テザリング（tethering）tethering（テザリング） タンパク質が小胞をターゲット膜に近づけ、SNAREが相互作用できるようにする
   • SNAREはSNAP（α-SNAP＝可溶性NSF結合タンパク質 soluble NSF attachment protein (SNAP)可溶性NSF結合タンパク質（soluble NSF attachment protein (SNAP)） soluble NSF attachment protein (SNAP)（可溶性NSF結合タンパク質））とNSFNSF（nephrogenic systemic fibrosis）を引き寄せる
   • SNAP： NSFをSNARE複合体へ橋渡しするアダプター
   • NSF： ATPをADPへ加水分解する六量体 hexamer 六量体（hexamer） hexamer（六量体） ATPaseであり、α-SNAPとともにSNARE複合体を解体する——融合後に同一膜上へ残ったcis-SNARE複合体をほどき、SNAREを次のサイクルでtrans複合体を組める遊離状態へ戻す⁶
   • SNARE複合体は自発的に形成される（ジッパーが閉じるように会合する）→この会合そのものが放出するエネルギーが、小胞と膜の界面からH2Oを排除するために使われる

⚠️ NSFは「融合を起こす力」ではなく「使い終わったSNAREを外す力」である。 脂質二重層lipid bilayer 脂質二重層（lipid bilayer）lipid bilayer（脂質二重層） を接触させて融合させる駆動力 driving force 駆動力（driving force） driving force（駆動力） はSNARE 4本鎖束の自発的な会合エネルギーであり、NSF／α-SNAPのATP加水分解はその前後——SNAREを使える状態に整えるプライミング priming プライミング（priming） priming（プライミング） と、融合後のリサイクル——に使われる⁶。

💡 v-/t-SNAREに加えて、Q-/R-SNAREという構造にもとづく分類が併用される。 融合能を持つSNARE複合体は4本のαヘリックス束で、束の中心層に来る残基がグルタミン（Q）3本とアルギニン arginine (Arg) アルギニン（arginine (Arg)） arginine (Arg)（アルギニン） （R）1本＝「3Q＋1R」の組み合わせになる（1998年にFasshauerらが提唱）⁷。慣用のv-SNARE（小胞側、多くはR-SNARE）／t-SNARE（標的膜側target-membrane side (t-SNARE)標的膜側（target-membrane side (t-SNARE)）target-membrane side (t-SNARE)（標的膜側）、多くはQ-SNARE）という呼び方は、両膜が同じ性格を持つホモタイピック融合では区別が付かなくなるため、Q/Rのほうが一般性が高い。 3. 融合： 緊密なSNAREのペアリングが脂質二重層 lipid bilayer 脂質二重層（lipid bilayer） lipid bilayer（脂質二重層） を接近させ接触させる→脂質層 lipid layer 脂質層（lipid layer） lipid layer（脂質層） の融合→小胞の取り込み＋積み荷がオルガネラの細胞内空間へ放出される

まとめ

• 小胞輸送vesicular transport 小胞輸送（vesicular transport）vesicular transport（小胞輸送） は細胞内区画 intracellular compartment 細胞内区画（intracellular compartment） intracellular compartment（細胞内区画） 間・細胞内外の物質輸送を担い、コートタンパク質（クラスリン：ゴルジ⇄リソソーム/PM、COP-I：ゴルジ→ER逆行性、COP-II：ER→ゴルジ順行性 antegrade順行性（antegrade） antegrade（順行性））が膜を変形させ積み荷を選択して小胞を形成する。
• COP-I（ARF1）とCOP-II（Sar1）はいずれもGDP/GTPスイッチとして働くGTPaseにより制御され、GEFによる活性化とGAPによる不活性化を通じてコートの組み立てと脱組立てのタイミングを決める。
• Rabサイクル（REPの介助下でRab-GGTaseが行うプレニル化 prenylation プレニル化（prenylation） prenylation（プレニル化） →GEFによる活性化→小胞・モータータンパク質motor protein モータータンパク質（motor protein）motor protein（モータータンパク質） への結合→SNAREを介した融合→GAPによる不活性化→GDIによる回収）が小胞の特異的な行き先認識を担い、テザリングtethering テザリング（tethering）tethering（テザリング） →ドッキング docking ドッキング（docking） docking（ドッキング） →融合という3段階を経て小胞とターゲット膜が融合し積み荷が放出される。