分泌経路におけるタンパク質ターゲティング（EM学生のみ）

🧠 分泌経路secretory pathway 分泌経路（secretory pathway）secretory pathway（分泌経路） への進入は「翻訳の一時停止」という一風変わった仕掛けで始まる——SRPがN末端の疎水性シグナル配列 signal sequence シグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列） を認識してリボソームを止めるのは、危険な酵素が細胞質へ漏れ出るのを防ぎつつ、リボソームがERへ結合する時間を稼ぐためである。 翻訳はSRP受容体とトランスロコン translocon トランスロコン（translocon） translocon（トランスロコン） がドッキング docking ドッキング（docking） docking（ドッキング） した瞬間に再開し、ERの内腔へ直接続く形で完了する。その後の輸送も「順方向（COP-II、ER→ゴルジ）」と「逆方向（COP-I、ゴルジ→ER retrieval）」のバランスとして理解でき、誤って折り畳まれたタンパク質はレクチン 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） （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））に留め置かれ、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ERリトリーバルシグナルによって呼び戻される——輸送先の決定は常に「進む理由」と「留まる/戻る理由」の両方が揃って初めて確定する。

タンパク質ターゲティングの目的

タンパク質ターゲティングの機能は適切な配達を保証することである。これはシグナル配列 signal sequence シグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列） と選別受容体によって行われる。シグナル配列signal sequence シグナル配列（signal sequence）signal sequence（シグナル配列） はターゲティングにとって必要かつ十分である。選別シグナルは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、タンパク質が折り畳まれている必要がある——これはNLSに典型的である

（選別シグナルの一般原則 general principles 一般原則（general principles） general principles（一般原則） は63-formation-of-the-proteome-of-subcellular-organelles-principles-and-mechanisms-of参照）

分泌経路とは

分泌経路secretory pathway 分泌経路（secretory pathway）secretory pathway（分泌経路） とは、ER、ゴルジ、およびその間を移動する小胞、さらに細胞膜とリソソームを指す。「分泌性」と名付けられているのは、細胞がタンパク質を細胞外環境へ分泌する経路であるためである。

主に：タンパク質が翻訳においてERで合成され、その後細胞外へ分泌される様式を指す。

ERにおけるタンパク質合成

ERは合成中のタンパク質を細胞質から捕捉する＝翻訳共役型転位co-translational translocation翻訳共役型転位（co-translational translocation）co-translational translocation（翻訳共役型転位）。全ての膜貫通タンパク transmembrane protein 膜貫通タンパク（transmembrane protein） transmembrane protein（膜貫通タンパク） 質はERに取り込まれ、細胞内膜系のオルガネラ（ER、ゴルジ、リソソーム、PM、分泌タンパク質）へ向かうタンパク質も同様である。

⚠️ 「全ての膜貫通タンパク transmembrane protein 膜貫通タンパク（transmembrane protein） transmembrane protein（膜貫通タンパク） 質」という言い方には範囲と例外がある。 ここでいう「全て」は分泌経路 secretory pathway 分泌経路（secretory pathway） secretory pathway（分泌経路） 系（ER・ゴルジ・エンドソームendosomeエンドソーム（endosome）endosome（エンドソーム）／リソソーム・PM）の膜タンパク質 membrane proteins 膜タンパク質（membrane proteins） membrane proteins（膜タンパク質） を指す。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） の膜タンパク質 membrane proteins 膜タンパク質（membrane proteins） membrane proteins（膜タンパク質） はERを経由せず独自の装置で挿入される。さらに分泌経路 secretory pathway 分泌経路（secretory pathway） secretory pathway（分泌経路） の膜タンパク質 membrane proteins 膜タンパク質（membrane proteins） membrane proteins（膜タンパク質） のなかにも例外があり、C末端に膜貫通ドメイン transmembrane domain, TMD 膜貫通ドメイン（transmembrane domain, TMD） transmembrane domain, TMD（膜貫通ドメイン） を1本だけ持つテールアンカー型タンパク質は、そのTMドメインがリボソームから現れる頃には翻訳が終わっているためSRPが機能できず、翻訳後post-translational翻訳後（post-translational）post-translational（翻訳後）に挿入される¹。細胞質のGet3（哺乳類mammal 哺乳類（mammal）mammal（哺乳類） のTRC40／Asna1）がTMドメインを捕まえ、ER膜のGet1/Get2受容体へ受け渡して挿入する——この認識が失われるとテールアンカー型タンパク質がミトコンドリアへ誤挿入される²。

flowchart TD
  A["N末端の疎水性ER局在化<span class='jp-term jp-term-diagram' title='signal sequence'>シグナル配列</span>が合成される"] --> B["SRP（signal recognition particle）がシグナルを認識し大サブユニットに結合"]
  B --> C["翻訳が一時停止する"]
  C --> D["SRPがER膜のSRP受容体（GTPase活性）に結合"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='translocon'>トランスロコン</span>が開き翻訳が再開される"]
  E --> F["ペプチドがER内腔へ直接合成されていく"]
  F --> G["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='start-transfer signal'>開始転移シグナル</span>と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='stop-transfer signal'>停止転移シグナル</span>の間がTMドメインとしてER膜に挿入される"]
  G --> H["シグナル<span class='jp-term jp-term-diagram' title='peptidase'>ペプチダーゼ</span>が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='signal sequence'>シグナル配列</span>を切断"]
  H --> I["折り畳まれたタンパク質がER内腔へ放出される"]

1. ER局在化シグナル（シグナル配列signal sequenceシグナル配列（signal sequence）signal sequence（シグナル配列））は、合成中のタンパク質の最初の部分であるN末端上の疎水性アミノ酸から構成される
2. タンパク質-RNARNA（ribonucleic acid）複合体であるSRP（シグナル認識粒子、signal recognition particle）がこのシグナルを認識し、大リボソームサブユニット ribosomal subunit リボソームサブユニット（ribosomal subunit） ribosomal subunit（リボソームサブユニット） に結合する→mRNAのそれ以上の翻訳を停止させる

この翻訳の一時停止は2つの機能を果たす：

• タンパク質が合成されて細胞質へ放出されるのを防ぐ（タンパク質がリソソーム行きの加水分解酵素 Hydrolase 加水分解酵素（Hydrolase） Hydrolase（加水分解酵素） であれば危険であるため）
• この一時停止はリボソームがERに結合するための十分な時間を与える

3. SRPはER膜内に位置しGTPase活性を持つSRP受容体に結合する
4. SRP受容体はSRP（リボソーム＋シグナル配列 signal sequence シグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列） とともに）に結合し、トランスロコンtranslocon トランスロコン（translocon）translocon（トランスロコン） チャネル（Sec61）を開く→ペプチドの翻訳がそのままER内腔へ向かって続行される
5. SRPはタンパク質の疎水性セグメントを走査 scanning 走査（scanning） scanning（走査） し始める——これが開始転移シグナルstart-transfer signal開始転移シグナル（start-transfer signal）start-transfer signal（開始転移シグナル）である。トランスロコンtranslocon トランスロコン（translocon）translocon（トランスロコン） によって認識される次のシグナルが停止転移シグナルstop-transfer signal停止転移シグナル（stop-transfer signal）stop-transfer signal（停止転移シグナル）である。これら2つの間の領域がTMドメインであり、ER膜へ挿入される
6. ER膜内の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） がシグナル配列 signal sequence シグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列） を切断し、折り畳まれたタンパク質がER内腔へ放出される
7. 新規合成されたタンパク質は細胞質からER膜を横断し、ゴルジ（シス→トランス）へ導く分泌経路 secretory pathway 分泌経路（secretory pathway） secretory pathway（分泌経路） に入り、その後細胞のオルガネラ/膜へ分泌される

💡 開始転移／停止転移シグナルstop-transfer signal 停止転移シグナル（stop-transfer signal）stop-transfer signal（停止転移シグナル） を実際に見分けているのは、SRPではなくトランスロコン translocon トランスロコン（translocon） translocon（トランスロコン） （Sec61）である。 SRPの担当は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） を認識してリボソームをER膜まで連れて来るところまでで、その後に現れる膜貫通ドメイン transmembrane domain, TMD 膜貫通ドメイン（transmembrane domain, TMD） transmembrane domain, TMD（膜貫通ドメイン） の見極めはSec61複合体が引き継ぐ。Sec61αは脂質二重層 lipid bilayer 脂質二重層（lipid bilayer） lipid bilayer（脂質二重層） へ向かって横に開く側方ゲートlateral gate側方ゲート（lateral gate）lateral gate（側方ゲート）を持ち、親水性hydrophilic 親水性（hydrophilic）hydrophilic（親水性） のペプチドが通るときはゲートをほぼ閉じたまま中央の水性チャネルに通し、疎水性ドメインhydrophobic domain 疎水性ドメイン（hydrophobic domain）hydrophobic domain（疎水性ドメイン） が来るとゲートを開いてそれを膜の脂質相へ送り出す——この2つの状態はクライオ電顕 electron microscopy, EM 電顕（electron microscopy, EM） electron microscopy, EM（電顕） で実際に捉えられている³。

ERからの輸送

ある区画から次の区画への移送には、順方向輸送と逆方向輸送（リトリーバル経路、retrieval pathway）のバランスが伴う——一部の積み荷分子は元の区画へ返送される必要がある受容体であったり、あるいは一部の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） が誤ってゴルジへ入ってしまう場合があるためである。

ERに入りゴルジ装置 Golgi apparatus ゴルジ装置（Golgi apparatus） Golgi apparatus（ゴルジ装置） 行きのタンパク質は、ER出口部位と呼ばれる部位でsERから出芽するCOP-II被覆小胞に包装される。

• 積み荷膜タンパク質 membrane proteins 膜タンパク質（membrane proteins） membrane proteins（膜タンパク質） は、COP-II内層 inner layer 内層（inner layer） inner layer（内層） コートの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） に結合できる出口/輸送シグナルを細胞質側表面に提示し、輸送される
• タンパク質はERを出るために適切に折り畳まれ、サブユニットが組み立てられていなければならない。誤って折り畳まれた、あるいは不完全に組み立てられたタンパク質はシャペロン chaperone シャペロン（chaperone） chaperone（シャペロン） （レクチンlectin レクチン（lectin）lectin（レクチン） ＝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））に結合され、これがそのタンパク質の輸出シグナルを隠し輸送を妨げる
• 輸送小胞がER出口部位から出芽しCOP-IIコートを脱ぎ捨てた後、互いに融合し始め、小胞管状クラスターvesicular tubular clusters小胞管状クラスター（vesicular tubular clusters）vesicular tubular clusters（小胞管状クラスター）を形成する。これらはER からゴルジへの物質輸送に機能し、タンパク質をERへ戻す逆行性輸送（リトリーバル経路）のためのCOP-Iコートを含む輸送小胞の出芽も始める
  • ゴルジへ輸送されるべきでないERタンパク質はERリトリーバルシグナルを持つ——内腔可溶性タンパク質ではC末端4残基のKDEL（酵母ではHDEL）で、この4残基を削っただけでBiPすら分泌されてしまい、逆にこの4残基を分泌タンパク質のC末端に付けるとERに留まる⁴。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） はこれとは別に、細胞質側C末端の二重リジン（KKXX）モチーフを使う
  • KDELを受け取るのはゴルジ側のKDEL受容体＝ERD2（26 kDaの膜内在性 intrinsic / integral (membrane protein) 内在性（intrinsic / integral (membrane protein)） intrinsic / integral (membrane protein)（内在性） タンパク質）であり、その存在量が保持系の効率と容量そのものを決める——ERD2の発現を下げるとHDELを持つタンパク質が分泌され、過剰発現overexpression 過剰発現（overexpression）overexpression（過剰発現） させると保持が改善する⁵。捕まえた積み荷はCOP-I小胞に載せてERへ返される＝リトリーバルは「ERで留める」のではなく「ゴルジまで行ったものを呼び戻す」機構である
  • 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） の輸送を防ぐもう1つの機構は、同じ区画で機能するタンパク質の凝集である。これらの凝集体は輸送されるには大きすぎる＝輸送を妨げる

💡 「輸送されるための正のシグナル（COP-II出口シグナル）」と「留まる/戻るための負のシグナル（ERリトリーバルシグナル、シャペロンchaperone シャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン） による隠蔽、凝集による物理的排除）」という2種類の逆方向のメカニズム Mechanism メカニズム（Mechanism） Mechanism（メカニズム） が同時に働くことで、分泌経路secretory pathway 分泌経路（secretory pathway）secretory pathway（分泌経路） は誤った積み荷を送り出さないという頑健性を獲得している。

まとめ

• タンパク質ターゲティングはシグナル配列 signal sequence シグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列） （N末端、折り畳み前に機能）とシグナルパッチ signal patches シグナルパッチ（signal patches） signal patches（シグナルパッチ） （内部配列、折り畳み後に機能）という選別シグナルによって適切な配達を保証する。
• ERへのタンパク質合成は翻訳共役型転位 co-translational translocation 翻訳共役型転位（co-translational translocation） co-translational translocation（翻訳共役型転位） として行われ、SRPがN末端の疎水性シグナル配列 signal sequence シグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列） を認識してリボソームの翻訳を一時停止させ、SRP受容体とSec61トランスロコン translocon トランスロコン（translocon） translocon（トランスロコン） へのドッキング docking ドッキング（docking） docking（ドッキング） により翻訳が再開されてペプチドがER内腔へ直接合成される。
• ERからゴルジへの輸送はCOP-II被覆小胞による順行性 antegrade 順行性（antegrade） antegrade（順行性） 経路と、誤って運ばれた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） をERリトリーバルシグナル（内腔側はC末端KDEL／HDEL、膜貫通型transmembrane 膜貫通型（transmembrane）transmembrane（膜貫通型） は細胞質側KKXX）とゴルジ上のKDEL受容体ERD2によって回収するCOP-I被覆小胞による逆行性経路（リトリーバル経路）のバランスにより制御され、誤って折り畳まれたタンパク質はカルネキシン 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） などのレクチン 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） により輸送前に留め置かれる。