細胞内小器官のプロテオーム形成；タンパク質選別の原理と機構（EM学生のみ）

🧠 オルガネラは「ゼロから作れない」——その情報はDNADNA（deoxyribonucleic acid）だけでなく、既存のオルガネラのプロテオーム proteome プロテオーム（proteome） proteome（プロテオーム） そのものに宿っており、増殖と分裂、あるいは鋳型からの出芽によってのみ継承される。 そしてタンパク質がどのオルガネラへ届くかは、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） に埋め込まれた「選別シグナル」で決まるが、決定的なのは配列そのものではなく物理的性質physical nature物理的性質（physical nature）physical nature（物理的性質）（疎水性か、正電荷か、負電荷かという「手触り」）である——だからこそ、ある物理的性質 physical nature 物理的性質（physical nature） physical nature（物理的性質） を持つシグナルを人工的に付ければ、本来そこに住まないタンパク質でも標的オルガネラへ送り込める。

プロテオームとは

プロテオームproteome プロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム） とは、ある時点においてゲノム・細胞・組織・生物によって発現される全タンパク質の集合である。細胞内小器官のプロテオーム proteome プロテオーム（proteome） proteome（プロテオーム） とは、したがって、ある特定のオルガネラの全タンパク質を指す。

• 細胞レベルCellular 細胞レベル（Cellular）Cellular（細胞レベル） では、タンパク質の機能は特定の時刻・場所で大部分の過程を触媒・伝導・制御することである
• タンパク質の細胞内局在はタンパク質の機能を規定するのに役立つ——異なるオルガネラは多様な生理的条件と相互作用パートナーを含む異なる環境を提供するためである

オルガネラのプロテオーム

特異的プロテオーム proteome プロテオーム（proteome） proteome（プロテオーム） という概念は、様々な細胞内小器官の恒常的かつ調節された内部環境（内部ミリュー）を確立するために重要である。区画化compartmentation 区画化（compartmentation）compartmentation（区画化） により定義され、異なるオルガネラは異なる機能を持ち、それゆえ適応した適切な環境を必要とする。

⚠️ 2つの名称に注意。 ①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） の酵素は基質を「還元」するのではなく酸化する。酸化酵素（オキシダーゼ）は基質から水素を奪ってO2へ渡しH2O2を作る酵素であって、酸素原子そのものを基質に組み込むオキシゲナーゼ oxygenase オキシゲナーゼ（oxygenase） oxygenase（オキシゲナーゼ） （例：シトクロムP450 cytochrome P450, CYPシトクロムP450（cytochrome P450, CYP） cytochrome P450, CYP（シトクロムP450））とは別物である（同じ内容は分泌経路 secretory pathway 分泌経路（secretory pathway） secretory pathway（分泌経路） 側のノートでも「分子状酸素を用いて有機基質からH原子を除去する酸化反応」と説明されている）。②ゴルジで起こるRIPは regulated intramembrane proteolysis（膜「内」切断）であり、intermembrane（膜「間」）ではない¹。

プロテオームの分類

オルガネラは鋳型を必要とする

オルガネラが合成されるには鋳型が必要であり、ゼロから合成することはできない。これは、オルガネラが自身の膜、膜貫通タンパクtransmembrane protein 膜貫通タンパク（transmembrane protein）transmembrane protein（膜貫通タンパク） 質、そしてこの膜が囲む内容物/組成によって定義されるためである。したがって、新しいミトコンドリアやERをデノボ de novo デノボ（de novo） de novo（デノボ） で単に合成することは不可能である——そのためには適切なトランスポーターを持つ膜が必要であり、これがオルガネラの組成を作り出し維持するからである。オルガネラを構築するために必要な情報は、DNAのみに存在するのではなく、オルガネラのプロテオーム proteome プロテオーム（proteome） proteome（プロテオーム） に存在し、このプロテオーム proteome プロテオーム（proteome） proteome（プロテオーム） は親オルガネラから継承されなければならない——成長と分裂によって、あるいは鋳型からの出芽によって。

⭐ この原則は「オルガネラはオルガネラからしか生まれない」というオルガネラ生合成 biosynthesis 生合成（biosynthesis） biosynthesis（生合成） の核心を表す——DNAは膜タンパク質 membrane proteins 膜タンパク質（membrane proteins） membrane proteins（膜タンパク質） の一次配列を規定できても、既存の膜・組成という「鋳型」がなければ、その情報を実際のオルガネラへ変換することはできない。

タンパク質選別

タンパク質の運命はそのアミノ酸配列 amino-acid sequence アミノ酸配列（amino-acid sequence） amino-acid sequence（アミノ酸配列） （一次構造primary structure一次構造（primary structure）primary structure（一次構造））に依存し、これが受容体によって認識され目的地へ輸送される選別/局在化シグナルを含む。一部のタンパク質は選別シグナルを持たず、細胞質内に恒久的居住者として留まる。

選別シグナルはタンパク質を細胞質から核、ER、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） へと導く——シグナル配列 signal sequence シグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列） に依存して。

タンパク質が区画間を移動する3つの方式

1. ゲート輸送gated transport ゲート輸送（gated transport）gated transport（ゲート輸送） ： 特異的高分子の能動輸送を支持する選択的ゲートとして機能するが、小粒子small-particle 小粒子（small-particle）small-particle（小粒子） の自由拡散も許容しうる
2. 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） ： 膜貫通型transmembrane 膜貫通型（transmembrane）transmembrane（膜貫通型） タンパク質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） により、細胞質から膜を横断して特異的タンパク specific protein 特異的タンパク（specific protein） specific protein（特異的タンパク） 質を輸送する過程。通常狭いチャネルであるため、タンパク質は通過するために折り畳まれていない必要がある（例：ER＋ミトコンドリアで生じる）
3. 小胞輸送vesicular transport 小胞輸送（vesicular transport）vesicular transport（小胞輸送） ： 膜で囲まれた小胞が、小胞と標的膜の融合によりある区画から別の区画へタンパク質を運ぶ。通常ER→ゴルジ→細胞区画（61-the-protein-secretory-pathway-role-of-the-rab-cycle-in-the-regulation-of参照）

各輸送様式は通常選別シグナル（相補的な選別受容体により認識される）によって導かれ、これがタンパク質を目的の区画へ方向づける。大部分の選別/局在化シグナルは15〜60残基長であり、異なる型がある：

1. シグナル配列signal sequence シグナル配列（signal sequence）signal sequence（シグナル配列） ： 通常タンパク質のN末端に位置する。二次元的シグナルであり、多くの場合選別過程が完了すると特殊化 specialization 特殊化（specialization） specialization（特殊化） されたシグナルペプチダーゼ peptidase ペプチダーゼ（peptidase） peptidase（ペプチダーゼ） によって除去される 例：翻訳共役型にERへ転位されるタンパク質
2. シグナルパッチsignal patches シグナルパッチ（signal patches）signal patches（シグナルパッチ） ： タンパク質が適切に折り畳まれると特定の三次 tertiary 三次（tertiary） tertiary（三次） 元配置を形成する複数の内部アミノ酸配列 amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence） amino-acid sequence（アミノ酸配列）。シグナル配列signal sequence シグナル配列（signal sequence）signal sequence（シグナル配列） と異なり、シグナルパッチsignal patches シグナルパッチ（signal patches）signal patches（シグナルパッチ） が認識可能なシグナルを形成するためにはタンパク質が折り畳まれている必要がある。これはNLS（核局在化シグナルnuclear localization signal (NLS)核局在化シグナル（nuclear localization signal (NLS)）nuclear localization signal (NLS)（核局在化シグナル））に典型的である

局在化シグナルが除去されると、タンパク質は決して標的に到達しない。通常その特定のオルガネラに存在しないタンパク質に選別シグナルが付加されると、それでもそのオルガネラへ輸送される（例：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） 質にER選別シグナルを付加すると、それをERへ転位させる）。

シグナル配列の例

⚠️ ERリトリーバルシグナルのLysとArgは「疎水性」ではなく塩基性（正電荷）である。 ER内腔常在タンパク質 resident protein 常在タンパク質（resident protein） resident protein（常在タンパク質） （BiP／grp78、grp94、プロテインジスルフィドイソメラーゼprotein disulfide isomerase (PDI)プロテインジスルフィドイソメラーゼ（protein disulfide isomerase (PDI)）protein disulfide isomerase (PDI)（プロテインジスルフィドイソメラーゼ））が共有するC末端4残基KDELは、切除すると分泌されてしまい、逆に分泌タンパク質のC末端に付けるとERに留まる——この意味で「必要かつ十分」なシグナルである²。膜貫通型transmembrane 膜貫通型（transmembrane）transmembrane（膜貫通型） のER常在タンパク質 resident protein 常在タンパク質（resident protein） resident protein（常在タンパク質） はこれとは別のモチーフを使い、細胞質側C末端から3番目と4〜5番目のリジン2個（KKXX）が保持を決め、ArgやHisに置き換えると効かない³——つまりこの場合は「正電荷であれば何でもよい」わけではない。

⭐ 局在化シグナルの物理的性質 physical nature 物理的性質（physical nature） physical nature（物理的性質） は、アミノ酸の実際の配列そのものよりも重要である。 つまり、あるオルガネラへの進入のための選別シグナルは1つの特定の配列である必要はなく、むしろ一定の物理的性質 physical nature 物理的性質（physical nature） physical nature（物理的性質） を持つアミノ酸の配列であればよい。

flowchart TD
  A["新規合成タンパク質の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='amino-acid sequence'>アミノ酸配列</span>"] --> B{"選別シグナルの型は？"}
  B -->|"N末端疎水性配列（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='signal sequence'>シグナル配列</span>）"| C["ERへ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='co-translational translocation'>翻訳共役型転位</span>"]
  B -->|"正電荷+疎水性<span class='jp-term jp-term-diagram' title='alternating'>交互</span>配列"| D["ミトコンドリアへ転位"]
  B -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='basic amino acid'>塩基性アミノ酸</span>（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='signal patches'>シグナルパッチ</span>、NLS）"| E["核へ輸送（折り畳み後に認識）"]
  B -->|"シグナルなし"| F["細胞質に恒久的に留まる"]

まとめ

• 各オルガネラは特異的なプロテオーム proteome プロテオーム（proteome） proteome（プロテオーム） （ER：合成・修飾・薬物代謝drug metabolism薬物代謝（drug metabolism）drug metabolism（薬物代謝）、ゴルジ：輸送・修飾・RIP＝regulated intramembrane proteolysis、ミトコンドリア：エネルギー代謝 Energy Metabolismエネルギー代謝（Energy Metabolism） Energy Metabolism（エネルギー代謝）、リソソーム：酸性加水分解、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） ：オキシダーゼによる酸化とカタラーゼによるH2O2処理、細胞骨格・核など）を持ち、組織特異的/ハウスキーピング/調節性regulated調節性（regulated）regulated（調節性）/セクレトームsecretome セクレトーム（secretome）secretome（セクレトーム） という機能分類 functional classification 機能分類（functional classification） functional classification（機能分類） も可能である。
• オルガネラはデノボ合成 de novo synthesis デノボ合成（de novo synthesis） de novo synthesis（デノボ合成） できず、既存の膜・膜タンパク質membrane proteins膜タンパク質（membrane proteins）membrane proteins（膜タンパク質）・組成という「プロテオームproteome プロテオーム（proteome）proteome（プロテオーム） という鋳型」を親オルガネラから継承することによってのみ増殖する——構築情報はDNAだけでなくオルガネラのプロテオーム proteome プロテオーム（proteome） proteome（プロテオーム） そのものに存在する。
• タンパク質選別protein sorting タンパク質選別（protein sorting）protein sorting（タンパク質選別） はアミノ酸配列 amino-acid sequence アミノ酸配列（amino-acid sequence） amino-acid sequence（アミノ酸配列） 中の選別シグナル（N末端シグナル配列 signal sequenceシグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列）、または折り畳み後に形成されるシグナルパッチ signal patchesシグナルパッチ（signal patches） signal patches（シグナルパッチ））により、ゲート輸送gated transportゲート輸送（gated transport）gated transport（ゲート輸送）・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）・小胞輸送vesicular transport 小胞輸送（vesicular transport）vesicular transport（小胞輸送） のいずれかの様式で行われ、シグナルの実際の配列よりもその物理的性質 physical nature 物理的性質（physical nature） physical nature（物理的性質） （疎水性、正電荷、負電荷）が選別の決定要因となる。