ミトコンドリアとペルオキシソームへのタンパク質ターゲティング；リソソームへの基質取り込み（EM学生のみ）

🧠 ミトコンドリアとペルオキシソーム peroxisome ペルオキシソーム（peroxisome） peroxisome（ペルオキシソーム） は「タンパク質を輸入する」という点で同じ課題を持つが、輸入の「形」が正反対である——ミトコンドリアは狭いチャネルしか持たないため未折り畳みタンパク質しか通せず、シグナル配列signal sequence シグナル配列（signal sequence）signal sequence（シグナル配列） は膜電位を駆動力 driving force 駆動力（driving force） driving force（駆動力） として使う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）。一方ペルオキシソーム peroxisome ペルオキシソーム（peroxisome） peroxisome（ペルオキシソーム） の輸送体は動的に開閉 gating 開閉（gating） gating（開閉） する孔を持ち、すでに折り畳まれたタンパク質すら丸ごと通せる。 リソソームだけはこの2つと異なり、タンパク質自体ではなく糖鎖修飾 glycan modification 糖鎖修飾（glycan modification） glycan modification（糖鎖修飾） （マンノースmannose マンノース（mannose）mannose（マンノース） -6-リン酸）というタグで選別され、エンドサイトーシス・貪食・オートファジーという3つの独立した経路が全てSNAREを介して同じリソソームへ収束する。

ミトコンドリアへのターゲティング

膜貫通輸送がミトコンドリアへの輸送の主要な機構である。ミトコンドリアタンパク質の大部分は細胞核にコードされているが、ミトコンドリアは自身のDNADNA（deoxyribonucleic acid）で一部のタンパク質とリボソームをコードしている（実際にミトコンドリア内で産生されるのはミトコンドリアタンパク質のごく一部にすぎない）。

⚠️ 「ミトコンドリア内で作られるのは10%」という数字は大きすぎる。 ヒトのミトコンドリアプロテオーム proteome プロテオーム（proteome） proteome（プロテオーム） は核とmtDNAの二重支配 dual circulation 二重支配（dual circulation） dual circulation（二重支配） を受けるが、mtDNA由来はわずか13タンパク質で、残り99%は核ゲノム nuclear genome 核ゲノム（nuclear genome） nuclear genome（核ゲノム） にコードされる（MitoCarta3.0が収載するヒトのミトコンドリア遺伝子 mitochondrial gene ミトコンドリア遺伝子（mitochondrial gene） mitochondrial gene（ミトコンドリア遺伝子） は1,136個）¹。「ほぼ全部を細胞質から輸入している」ことこそが、TOM/TIM系がこれほど大掛かりである理由である。

ミトコンドリアは2つの膜を持つ：①外膜——細胞質と膜間腔 intermembrane space 膜間腔（intermembrane space） intermembrane space（膜間腔） を隔てる　②内膜——膜間腔 intermembrane space 膜間腔（intermembrane space） intermembrane space（膜間腔） とマトリックスを隔てる。

• 外ミトコンドリア膜はポリン（小分子の通過を許す）を持つため、この膜はタンパク質輸送にとって障壁とならない→タンパク質輸送にとって障壁となるのは内膜である
• ミトコンドリア前駆体タンパク質のシグナル配列 signal sequence シグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列） は両親媒性 amphipathic 両親媒性（amphipathic） amphipathic（両親媒性） α-ヘリックスである——片側に疎水性アミノ酸、もう片側に親水性 hydrophilic 親水性（hydrophilic） hydrophilic（親水性） アミノ酸を持つ
• ミトコンドリア行きのタンパク質は、比較的小さなチャネルのため、ミトコンドリアに入る前に三次 tertiary 三次（tertiary） tertiary（三次） 元構造を獲得すべきではない→未折り畳みタンパク質のみが入ることができる
• ミトコンドリアへ輸入されるタンパク質は、通常細胞質のリボソームから放出された直後に速やかに取り込まれる

（補足：ミトコンドリアタンパク質のシグナル配列 signal sequence シグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列） （しばしばN末端）は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） を形成し、正電荷を帯びたアミノ酸が片側、負電荷を帯びたアミノ酸がもう片側にある。シグナル配列signal sequence シグナル配列（signal sequence）signal sequence（シグナル配列） はミトコンドリアマトリックス mitochondrial matrix ミトコンドリアマトリックス（mitochondrial matrix） mitochondrial matrix（ミトコンドリアマトリックス） 内に入ると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） により切断される。外膜・内膜・膜間腔intermembrane space 膜間腔（intermembrane space）intermembrane space（膜間腔） のタンパク質はしばしばシグナル配列 signal sequence シグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列） を保持し続ける。）

⭐ 受容体はコンフォメーション conformation コンフォメーション（conformation） conformation（コンフォメーション） （両親媒性amphipathic 両親媒性（amphipathic）amphipathic（両親媒性） α-ヘリックス）を認識するのであって、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） そのものを認識するのではない。

ミトコンドリア膜のタンパク質トランスロケーター（多サブユニット複合体）

ミトコンドリア前駆体タンパク質は、ミトコンドリアに入るまで天然構造 native structure 天然構造（native structure） native structure（天然構造） へ折り畳まれない。この機構はシャペロン chaperone シャペロン（chaperone） chaperone（シャペロン） により調節されており、前駆体タンパク質が細胞質内で自発的に凝集・折り畳みすることを防ぐ。

ミトコンドリアタンパク質の取り込み過程

flowchart TD
  A["TOM複合体が外ミトコンドリア膜でミトコンドリア局在化シグナルを認識"] --> B["受容体が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='signal sequence'>シグナル配列</span>に結合し<span class='jp-term jp-term-diagram' title='chaperone'>シャペロン</span>（細胞質Hsp70）を除去（ATP依存）"]
  B --> C["未折り畳みタンパク質が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='intermembrane space'>膜間腔</span>へ転位"]
  C --> D["TIM複合体を介した内膜通過：膜電位（電気化学的<span class='jp-term jp-term-diagram' title='proton gradient'>プロトン勾配</span>）が正電荷<span class='jp-term jp-term-diagram' title='signal sequence'>シグナル配列</span>の転位を駆動"]
  D --> E["ミトコンドリアHsp70の結合がマトリックスへの転位を進め逆戻りを防ぐ（ATP依存）"]
  E --> F["ATP加水分解によるHsp70の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='conformational change'>コンフォメーション変化</span>→タンパク質の放出（活性型タンパク質）"]

1. TOM複合体が外ミトコンドリア膜でミトコンドリア前駆体タンパク質のミトコンドリア局在化シグナルを認識する
2. TOM複合体内の受容体がシグナル配列 signal sequence シグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列） に結合しシャペロン chaperone シャペロン（chaperone） chaperone（シャペロン） （細胞質性Hsp70）を除去する→ATP加水分解（ATP→ADP）を要する
3. 未折り畳みタンパク質が膜間腔 intermembrane space 膜間腔（intermembrane space） intermembrane space（膜間腔） へ転位される
4. TIM複合体を介した内ミトコンドリア膜の通過には膜電位を要する：内膜を横切る電気化学的プロトン勾配 proton gradient プロトン勾配（proton gradient） proton gradient（プロトン勾配） のエネルギーが正電荷を帯びたシグナル配列 signal sequence シグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列） のTIM23複合体を通じた転位を駆動する
5. ミトコンドリアHsp70の結合がタンパク質をマトリックスへ転位させ、逆方向の動きを防ぐ＝ATPにより行われる
6. ATPの加水分解がHsp70にコンフォメーション変化 conformational change コンフォメーション変化（conformational change） conformational change（コンフォメーション変化） を引き起こす→タンパク質（活性型タンパク質）を放出する

ペルオキシソームへのターゲティング

• 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） は単一の脂質膜に囲まれ、大部分のタンパク質を細胞質からの選択的取り込みによって得る
• 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） は通常、酸化酵素（尿酸オキシダーゼ、D-アミノ酸オキシダーゼなど）とカタラーゼを含む。このうちH2O2を作るのは酸化酵素のほうで、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を行い、過酸化水素hydrogen peroxide 過酸化水素（hydrogen peroxide）hydrogen peroxide（過酸化水素） （H2O2）を産生する
• カタラーゼは他の酵素により産生されたH2O2を用いて他の基質を酸化する（ペルオキシダーゼperoxidase ペルオキシダーゼ（peroxidase）peroxidase（ペルオキシダーゼ） 作用）ほか、余ったH2O2をH2OとO2へ分解して処理する
• 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） はゲノムを持たない。全てのタンパク質は細胞質で合成されるか、ERを介して供給され、そこからペルオキシソーム peroxisome ペルオキシソーム（peroxisome） peroxisome（ペルオキシソーム） の生合成 biosynthesis 生合成（biosynthesis） biosynthesis（生合成） が起こりうる → 折り畳まれたタンパク質の膜貫通輸送を行う

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） 標的シグナルはC末端トリペプチド tripeptide トリペプチド（tripeptide） tripeptide（トリペプチド） またはN末端ノナペプチド nonapeptide ノナペプチド（nonapeptide） nonapeptide（ノナペプチド） （9残基）のいずれかであり、細胞質受容体に結合する。

1. 輸入シグナル（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） シグナル配列 signal sequenceシグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列））はまず可溶性のペルオキシソーム peroxisome ペルオキシソーム（peroxisome） peroxisome（ペルオキシソーム） 細胞質受容体により認識される
2. ペルオキシンperoxinsペルオキシン（peroxins）peroxins（ペルオキシン）は輸入過程に参加するタンパク質のファミリーであり、ATP加水分解によって駆動される
3. 少なくとも6種の異なるペルオキシン peroxins ペルオキシン（peroxins） peroxins（ペルオキシン） からなる複合体がペルオキシソーム peroxisome ペルオキシソーム（peroxisome） peroxisome（ペルオキシソーム） 膜内で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） を形成する
4. タンパク質は輸入されるために折り畳みを解く必要はない。トランスポーターが形成する孔は動的であり、輸送される特定の積み荷分子に応じて適応する
5. Pex5がC末端ペルオキシソーム peroxisome ペルオキシソーム（peroxisome） peroxisome（ペルオキシソーム） 輸入シグナル（PTS-1）を認識し、積み荷をペルオキシソーム peroxisome ペルオキシソーム（peroxisome） peroxisome（ペルオキシソーム） 膜へ運ぶ→その後ユビキチン化 ubiquitination ユビキチン化（ubiquitination） ubiquitination（ユビキチン化） され積み荷をペルオキシソーム peroxisome ペルオキシソーム（peroxisome） peroxisome（ペルオキシソーム） マトリックスへ放出する＝Pex5は細胞質へ戻りユビキチンが除去される
6. Pex7/18は受容体としても機能する別のPexコンプレックスである。N末端シグナルを認識し積み荷をペルオキシソーム peroxisome ペルオキシソーム（peroxisome） peroxisome（ペルオキシソーム） へ運ぶ

Pexコンプレックスが形成する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） は一過性である——必要なときのみ形成され、その後モノ/ポリユビキチン化polyubiquitination ポリユビキチン化（polyubiquitination）polyubiquitination（ポリユビキチン化） を経てリサイクルされるか分解される。

💡 この輸入系が壊れるとペルオキシソーム形成異常症 peroxisome biogenesis disorder ペルオキシソーム形成異常症（peroxisome biogenesis disorder） peroxisome biogenesis disorder（ペルオキシソーム形成異常症） （PBDPBD, peroxisome biogenesis disorder）になる。 Zellweger症候群Zellweger syndromeZellweger症候群（Zellweger syndrome）Zellweger syndrome（Zellweger症候群）・新生児副腎白質ジストロフィーneonatal adrenoleukodystrophy新生児副腎白質ジストロフィー（neonatal adrenoleukodystrophy）neonatal adrenoleukodystrophy（新生児副腎白質ジストロフィー）・乳児Refsum病infantile Refsum disease 乳児Refsum病（infantile Refsum disease）infantile Refsum disease（乳児Refsum病） は別々の病気ではなく、同じ連続体を重い順に並べたものである。原因はペルオキシン peroxins ペルオキシン（peroxins） peroxins（ペルオキシン） をコードするPEX遺伝子の変異で、相補性群complementation group 相補性群（complementation group）complementation group（相補性群） は少なくとも11群あり、最大の第1群（CG1）の原因遺伝子 causative gene 原因遺伝子（causative gene） causative gene（原因遺伝子） がPEX1（AAA ATPaseファミリーの147 kDaタンパク質）である⁴。上の表の対応はそのまま患者細胞の表現型に出ており、PEX1・PEX5・PEX2・PEX6・PEX10・PEX12の欠損ではPTS1経路の輸入が障害されるのに対し、PEX7の変異ではPTS2を持つタンパク質の輸入だけが障害される⁵——PTS1とPTS2が別の受容体を使うことが、ヒトの病態で裏づけられている。

リソソームへの基質取り込み

リソソームへの基質取り込みは、主に分泌経路secretory pathway分泌経路（secretory pathway）secretory pathway（分泌経路）のトランスゴルジネットワークから生じる。リソソーム酵素などリソソーム行きのタンパク質は、リン酸基phosphate group リン酸基（phosphate group）phosphate group（リン酸基） が付加された糖からなるシグナルを持つ。ゴルジ装置Golgi apparatus ゴルジ装置（Golgi apparatus）Golgi apparatus（ゴルジ装置） 内でこのタグを持つタンパク質はリソソーム行きの小胞へ選別される。

💡 このタグの正体はマンノース mannose マンノース（mannose） mannose（マンノース） -6-リン酸（M6P）で、付ける酵素が壊れると全身性の疾患になる。 M6Pはシス-ゴルジでGlcNAc-1-リン酸転移酵素が可溶性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） のN結合型糖鎖 glycan (sugar chain) 糖鎖（glycan (sugar chain)） glycan (sugar chain)（糖鎖） にだけ付ける目印で、トランスゴルジ網のM6P受容体（カチオン非依存性・カチオン依存性の2種）がこれを内腔側で捕まえ、細胞質側ではアダプチン adaptin アダプチン（adaptin） adaptin（アダプチン） ＝クラスリンコートに繋がる。この転移酵素をコードするGNPTAB（GNPTA）に変異があるとM6Pが付かず、リソソーム酵素が選別されずに細胞外へ過剰分泌されてしまう——これがムコリピドーシスII型（I細胞病）である⁶。

常在リソソーム酵素はERからゴルジを経てリソソームへ届けられる。

基質の取り込みはエンドサイトーシスの様々な経路、またはオートファジーを介して生じる：

• エンドサイトーシスはエンドソーム endosome エンドソーム（endosome） endosome（エンドソーム） （初期＋後期）を形成し、これがリソソームと融合できる
• 貪食作用phagocytosis 貪食作用（phagocytosis）phagocytosis（貪食作用） はファゴソームの形成をもたらし、これがリソソームと融合しファゴリソソーム phagolysosome ファゴリソソーム（phagolysosome） phagolysosome（ファゴリソソーム） を作る
• オートファジーは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） の形成をもたらし、これがリソソームと融合する

→ これら全ての融合はSNAREによって媒介される。

• 一次リソソーム＝ 内腔に基質を持たない（リソソーム酵素のみ）
• 二次リソソーム＝ 内腔に基質を持つ

まとめ

• ミトコンドリアへのタンパク質輸入はTOM（外膜）とTIM23/TIM22（内膜）を介した膜貫通輸送であり、両親媒性amphipathic 両親媒性（amphipathic）amphipathic（両親媒性） α-ヘリックスのシグナル配列 signal sequence シグナル配列（signal sequence） signal sequence（シグナル配列） と膜電位（電気化学的プロトン勾配 proton gradientプロトン勾配（proton gradient） proton gradient（プロトン勾配））を駆動力 driving force 駆動力（driving force） driving force（駆動力） として未折り畳みタンパク質のみが通過できる。輸入がこれほど大規模 genome mutation 大規模（genome mutation） genome mutation（大規模） なのは、ミトコンドリアプロテオーム proteome プロテオーム（proteome） proteome（プロテオーム） の99%が核コードでmtDNA由来は13タンパク質しかないためである。
• 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） への輸入はPex5（PTS1、C末端トリペプチド tripeptide トリペプチド（tripeptide） tripeptide（トリペプチド） ＝SKL型）とPex7/18（PTS2、N末端ノナペプチド nonapeptideノナペプチド（nonapeptide） nonapeptide（ノナペプチド））が担い、動的な孔を通じて折り畳まれたタンパク質もそのまま輸送できる点がミトコンドリアと対照的である。この系の破綻がZellweger症候群 Zellweger syndrome Zellweger症候群（Zellweger syndrome） Zellweger syndrome（Zellweger症候群） を含むペルオキシソーム形成異常症 peroxisome biogenesis disorder ペルオキシソーム形成異常症（peroxisome biogenesis disorder） peroxisome biogenesis disorder（ペルオキシソーム形成異常症） で、PEX1が最大の相補性群 complementation group相補性群（complementation group） complementation group（相補性群）、PEX7変異はPTS2経路だけを損なう。
• リソソームへの基質取り込みはマンノース mannose マンノース（mannose） mannose（マンノース） -6-リン酸（M6P）という糖鎖 glycan (sugar chain) 糖鎖（glycan (sugar chain)） glycan (sugar chain)（糖鎖） タグによるトランスゴルジからの選別と、エンドサイトーシス・貪食作用phagocytosis貪食作用（phagocytosis）phagocytosis（貪食作用）・オートファジーというSNARE媒介性の3つの独立した経路の融合によって行われる。M6Pを付けるGlcNAc-1-リン酸転移酵素が働かないとリソソーム酵素が過剰分泌され、ムコリピドーシスII型（I細胞病）となる。