小胞体ストレス、小胞体ストレス応答（UPR）とアポトーシスの関連

🧠 UPRは「BiPというシャペロン chaperone シャペロン（chaperone） chaperone（シャペロン） の争奪戦」で始まる——普段BiPはIRE1・PERK・ATF6という3人のセンサーに抱きついて眠らせているが、誤って折り畳まれたタンパク質がERに溜まると、BiPはそちらに引き抜かれ、3人のセンサーが一斉に目を覚ます。 この3経路（IRE1→XBP1スプライシング、PERK→翻訳抑制、ATF6→ゴルジでの切断）は最初「折り畳み能力を増強して生き延びる」方向に働くが、ストレスが解消されなければ同じPERK-ATF4経路がCHOPという名のスイッチを介して真逆の「アポトーシスへ転じる」方向へと舵を切る——1つのセンサーネットワークが生存とアポトーシスという正反対の結末を、状況の深刻さだけで使い分けている。

オルガネラストレスとER

オルガネラストレスorganelle stress オルガネラストレス（organelle stress）organelle stress（オルガネラストレス） とは、オルガネラの機能的容量が細胞の要求と比べて不十分になった状態である。

ERは脂質とタンパク質の生合成 biosynthesis 生合成（biosynthesis） biosynthesis（生合成） の両方において中心的役割を果たす。いくつかの品質管理 quality control 品質管理（quality control） quality control（品質管理） 機構がタンパク質の適切なプロセシングと折り畳みを保証するために機能する。折り畳まれていない/誤って折り畳まれたタンパク質はER内に留め置かれ、ER関連分解ER-associated degradation (ERAD) ER関連分解（ER-associated degradation (ERAD)）ER-associated degradation (ERAD)（ER関連分解） （ERAD、次項参照）により分解される。折り畳まれていないタンパク質がER内に蓄積すると、真核細胞eukaryote 真核細胞（eukaryote）eukaryote（真核細胞） はERシャペロン chaperone シャペロン（chaperone） chaperone（シャペロン） とERAD機構の構成要素の発現を上方調節 upregulation 上方調節（upregulation） upregulation（上方調節） し、折り畳みと分解の能力を高める→UPR（unfolded protein response、小胞体ストレス応答endoplasmic reticulum stress response小胞体ストレス応答（endoplasmic reticulum stress response）endoplasmic reticulum stress response（小胞体ストレス応答））。

ERストレスの原因

1. 生体内変換biotransformation 生体内変換（biotransformation）biotransformation（生体内変換） 過程： 第1相のシトクロムP450 cytochrome P450, CYP シトクロムP450（cytochrome P450, CYP） cytochrome P450, CYP（シトクロムP450） がROS O2⁻（スーパーオキシドsuperoxide スーパーオキシド（superoxide）superoxide（スーパーオキシド） アニオン）や中間反応性物質の形成を誘導しうる
2. ジスルフィド結合形成disulfide bond formation ジスルフィド結合形成（disulfide bond formation）disulfide bond formation（ジスルフィド結合形成） ： ERシャペロン chaperone シャペロン（chaperone） chaperone（シャペロン） 媒介性のタンパク質フォールディング protein folding タンパク質フォールディング（protein folding） protein folding（タンパク質フォールディング） 過程がH2O2の形成を引き起こす
3. 誤って折り畳まれたタンパク質： ER内の多くの撹乱が誤って折り畳まれたタンパク質の蓄積や品質管理 quality control 品質管理（quality control） quality control（品質管理） の問題を引き起こしうる（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） シャペロン chaperone シャペロン（chaperone） chaperone（シャペロン） が誤って折り畳まれたタンパク質に結合しゴルジへの移動を防ぐ）

小胞体ストレス応答

ERの正常な機能の撹乱は細胞ストレス応答であるUPRを導く。これは最初は損傷への代償を目指すが、ER機能不全が重度あるいは長期に及ぶ場合、最終的に細胞死を引き起こしうる。

したがってUPRには2つの局面がある：

1. タンパク質フォールディングprotein folding タンパク質フォールディング（protein folding）protein folding（タンパク質フォールディング） 能力を増加させ、ERストレスを除去し蓄積した誤って折り畳まれたタンパク質の量を減少させようとする
2. ストレスを除去できない場合、UPRはERストレス誘導性アポトーシス ER stress-induced apoptosis ERストレス誘導性アポトーシス（ER stress-induced apoptosis） ER stress-induced apoptosis（ERストレス誘導性アポトーシス） を促進する

UPRを実行する3つの並行経路があり、IRE1、PERK、ATF6というタンパク質が関与する。

シャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）BiP（binding immunoglobulin protein）は、これらのタンパク質が必要とされていないときにこれらに結合している。しかし誤って折り畳まれたタンパク質がER内に蓄積すると、BiPは解離する——代わりに誤って折り畳まれたタンパク質に結合する必要があるためである（それらをER内に留めるために）→これによりIRE1・PERK・ATF6が活性化される（二量体化dimerization二量体化（dimerization）dimerization（二量体化）、自己リン酸化autophosphorylation自己リン酸化（autophosphorylation）autophosphorylation（自己リン酸化））。

IRE1

• 二量体化dimerization 二量体化（dimerization）dimerization（二量体化） し自己リン酸化 autophosphorylation 自己リン酸化（autophosphorylation） autophosphorylation（自己リン酸化） する膜貫通プロテインキナーゼ protein kinase プロテインキナーゼ（protein kinase） protein kinase（プロテインキナーゼ） →IRE1の細胞質側表面にあるエンドリボヌクレアーゼドメインの活性化を引き起こす→特異的な細胞質mRNA分子を2箇所で切断する
• mRNAの切断はイントロンを除去し、2つのエキソン exon エキソン（exon） exon（エキソン） がRNAリガーゼ ligase リガーゼ（ligase） ligase（リガーゼ） により連結されることを可能にする→新しいスプライシングされたmRNAが作られ、これが翻訳されてXBP1と呼ばれる活性型転写調節タンパク質 active transcriptional regulatory protein 活性型転写調節タンパク質（active transcriptional regulatory protein） active transcriptional regulatory protein（活性型転写調節タンパク質） になる
• XBP1は核内へ転位し、UPRを媒介するのを助けるタンパク質をコードする遺伝子を活性化する
• 💡 切り出されるイントロンは26塩基で、繋ぎ直す酵素はRtcBである。 IRE1のエンドリボヌクレアーゼはXBP1 mRNAのコード領域から26塩基を切り出し、この非古典的スプライシング non-conventional splicing 非古典的スプライシング（non-conventional splicing） non-conventional splicing（非古典的スプライシング） （スプライソソームspliceosome スプライソソーム（spliceosome）spliceosome（スプライソソーム） を介さない）が読み枠 reading frame 読み枠（reading frame） reading frame（読み枠） をずらして活性型転写因子 active transcription factor 活性型転写因子（active transcription factor） active transcription factor（活性型転写因子） XBP1sを生み、これがGRP78のようなERストレス遺伝子を活性化する¹。哺乳類mammal 哺乳類（mammal）mammal（哺乳類） で2つのエキソン exon エキソン（exon） exon（エキソン） を連結するRNAリガーゼ ligase リガーゼ（ligase） ligase（リガーゼ） の正体は長く不明だったが、2014年にRtcB（tRNAリガーゼ ligase リガーゼ（ligase） ligase（リガーゼ） 複合体の触媒サブユニット catalytic subunit触媒サブユニット（catalytic subunit） catalytic subunit（触媒サブユニット）。補因子はアーケアーゼ archeaseアーケアーゼ（archease） archease（アーケアーゼ））と同定された。RtcB欠損細胞ではERストレス時のXBP1 mRNAスプライシングが破綻する²。
• 💡 IRE1のRNase活性にはXBP1スプライシング以外の出口もある（RIDDRIDD, regulated IRE1-dependent decay）。 活性化したIRE1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）・分泌タンパク質をコードするmRNA群をXBP1類似の認識配列で切断して分解する——regulated IRE1-dependent decay（RIDD、IRE1依存性mRNA分解）と呼ばれる経路である。XBP1スプライシングがATP類似体 ATP analogue ATP類似体（ATP analogue） ATP analogue（ATP類似体） で活性化される改変IRE1を使えばERストレス非存在下でも人為的に起こせるのに対し、RIDDはIRE1活性とERストレスの両方を要求する。つまり細胞はER内の状況の違いに応じてIRE1から別々の出力を取り出している³。

PERK

• ER内のもう1つの膜貫通キナーゼである
• BiPが解放されると、二量体化dimerization 二量体化（dimerization）dimerization（二量体化） し自己リン酸化 autophosphorylation 自己リン酸化（autophosphorylation） autophosphorylation（自己リン酸化） する
• PERKはその後eIF2（真核生物翻訳開始 translation initiation 翻訳開始（translation initiation） translation initiation（翻訳開始） 因子）をリン酸化・不活性化する——これがリボソーム上の新規タンパク質の一般的翻訳を阻害する→ERで折り畳まれる必要のあるタンパク質の供給量を減少させる
• 💡 リン酸化されるのはeIF2のαサブユニット alpha subunit αサブユニット（alpha subunit） alpha subunit（αサブユニット） のSer51という1箇所である。 ERストレスによりeIF2αのSer51がリン酸化されると全般的な翻訳開始 translation initiation 翻訳開始（translation initiation） translation initiation（翻訳開始） が一過性に抑制され、同時にER機能を改善する遺伝子群の発現を促すシグナル経路（下記のATF4以降）が起動する⁴。
• eIF2が阻害されている間でも一部のタンパク質は翻訳される——その1つがATF4（activation TF）であり、これはUPRに関与する遺伝子の転写を誘導するTFである

ATF6

• 転写調節因子transcription factor 転写調節因子（transcription factor）transcription factor（転写調節因子） であり、最初は膜貫通型 transmembrane 膜貫通型（transmembrane） transmembrane（膜貫通型） ERタンパク質として合成され、ER膜に埋め込まれている→核内で遺伝子転写を活性化できない
• 誤って折り畳まれたタンパク質が蓄積すると、ATF6タンパク質はゴルジへ輸送され、そこでタンパク質分解 proteolysis タンパク質分解（proteolysis） proteolysis（タンパク質分解） を受ける→ATF6の細胞質ドメインが切断される
• 💡 ATF6を切るのは、SREBPを切るのと同じ2つのプロテアーゼである。 ゴルジでの切断は部位1プロテアーゼ site-1 protease (S1P) 部位1プロテアーゼ（site-1 protease (S1P)） site-1 protease (S1P)（部位1プロテアーゼ） （S1P）と部位2プロテアーゼ site-2 protease (S2P) 部位2プロテアーゼ（site-2 protease (S2P)） site-2 protease (S2P)（部位2プロテアーゼ） （S2P）の逐次作用による。これはコレステロール欠乏時にSREBPを膜から切り出すのと同一の酵素対で、S2P欠損細胞ではATF6のプロセシングが完全に、S1P欠損細胞では部分的に阻害され、S2P欠損細胞はERストレスに対してATF6標的であるGRP78を誘導できない⁵。
• これによりATF6は核へ移動でき、UPRに必要なタンパク質の転写を誘導できるようになる

flowchart TD
  A["ER内に誤って折り畳まれたタンパク質が蓄積"] --> B["BiPが3センサーから解離し<span class='jp-term jp-term-diagram' title='misfolding'>誤折り畳み</span>タンパク質に結合"]
  B --> C["IRE1：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dimerization'>二量体化</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='autophosphorylation'>自己リン酸化</span>"]
  B --> D["PERK：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dimerization'>二量体化</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='autophosphorylation'>自己リン酸化</span>"]
  B --> E["ATF6：ゴルジへ輸送されプロテアーゼ切断"]
  C --> F["mRNAスプライシング→XBP1産生"]
  D --> G["eIF2リン酸化→翻訳抑制＋ATF4選択的翻訳"]
  E --> H["切断されたATF6が核内へ"]
  F --> I["核内でUPR<span class='jp-term jp-term-diagram' title='target gene'>標的遺伝子</span>の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='transcriptional activity'>転写活性</span>化"]
  G --> I
  H --> I
  I --> J["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='chaperone'>シャペロン</span>・ERAD・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='lipid synthesis'>脂質合成</span>・分泌能の増強"]

ERストレス誘導性アポトーシス

ERストレスが緩和されない場合、UPRは細胞死をもたらす→ERストレス誘導性アポトーシスER stress-induced apoptosisERストレス誘導性アポトーシス（ER stress-induced apoptosis）ER stress-induced apoptosis（ERストレス誘導性アポトーシス）。この段階で産生されるTFとタンパク質はアポトーシスをもたらすことを意図している——ERの機能不全があまりに重篤で細胞が生存できないためである。

前述の通り、PERKはATF4を活性化し、これがアポトーシス性TFであるCHOPを転写活性 transcriptional activity 転写活性（transcriptional activity） transcriptional activity（転写活性） 化する。CHOPは多くの効果を持つ：

1. CHOPは通常アポトーシスを防ぐBcl2タンパク質の発現を減少させ、BH3onlyタンパク質の転写を誘導しミトコンドリアの孔形成を助ける→シトクロム cytochrome シトクロム（cytochrome） cytochrome（シトクロム） Cの放出（強力なアポトーシスシグナル）（54-members-of-the-bcl-2-superfamily-and-their-roles-in-various-apoptotic-pathways参照）
2. CHOPはまたGADD34（growth arrest and DNA damage-inducible 34＝増殖停止 growth arrest増殖停止（growth arrest） growth arrest（増殖停止）・DNA損傷誘導性 inducibility 誘導性（inducibility） inducibility（誘導性） タンパク質34、遺伝子名 PPP1R15A）を誘導する→eIF2αが脱リン酸化 dephosphorylation 脱リン酸化（dephosphorylation） dephosphorylation（脱リン酸化） され翻訳がもはや阻害されなくなる。⚠️ GADD34自身はホスファターゼではない。 GADD34はプロテインホスファターゼ1の調節サブユニットregulatory subunit調節サブユニット（regulatory subunit）regulatory subunit（調節サブユニット）であり、触媒サブユニットcatalytic subunit 触媒サブユニット（catalytic subunit）catalytic subunit（触媒サブユニット） PP1cをeIF2へ導くことでeIF2αSer51の脱リン酸化 dephosphorylation 脱リン酸化（dephosphorylation） dephosphorylation（脱リン酸化） を成立させる（同じ役割を担うストレス非依存的な対応物がCRePである）⁴。PERKによる翻訳抑制がここで解除されるため、ストレスが解消していない状況では折り畳み待ちのタンパク質が再びERへ流れ込み、アポトーシス側に働くことになる
3. CHOPはまたDR5（death receptor 5、デス受容体5death receptor 5 (DR5) デス受容体5（death receptor 5 (DR5)）death receptor 5 (DR5)（デス受容体5） ＝TRAIL受容体2）の発現を増加させ、これがプロカスパーゼと相互作用してカスパーゼへ活性化する（プログラム細胞死programmed cell deathプログラム細胞死（programmed cell death）programmed cell death（プログラム細胞死）、55-function-and-activation-of-apoptotic-caspases-role-of-granzyme-b参照）

⚠️ この受容体の名前は「D5R」ではなく DR5 である（death receptor 5＝TRAIL-R2。以前この文字の並びが入れ替わって書かれていた）。タプシガルギンでERストレスを与えたヒト癌細胞ではDR5が上昇し、siRNAによるDR5ノックダウン knockdown ノックダウン（knockdown） knockdown（ノックダウン） でBaxの構造変化 conformational change構造変化（conformational change） conformational change（構造変化）・カスパーゼ3活性化・細胞死が阻止され、CHOPの発現抑制でもDR5誘導とアポトーシスが減弱する。DR5遺伝子の5’隣接領域にはCHOP結合部位が実在し、そこを変異させるとERストレス応答性のレポーター活性が失われる⁶。

flowchart TD
  A["ERストレス持続"] --> B["PERK-ATF4-CHOP軸の継続的活性化"]
  B --> C["Bcl2発現減少＋BH3onlyタンパク質誘導"]
  C --> D["ミトコンドリア孔形成→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cytochrome'>シトクロム</span>C放出"]
  B --> E["GADD34誘導→eIF2<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dephosphorylation'>脱リン酸化</span>→翻訳再開"]
  B --> F["DR5（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='death receptor 5 (DR5)'>デス受容体5</span>）発現増加→プロカスパーゼ活性化"]
  D --> G["アポトーシス（ERストレス<span class='jp-term jp-term-diagram' title='inducibility'>誘導性</span>）"]
  F --> G

💡 IRE1・PERK・ATF6の3経路は当初「生存」（フォールディング能力増強、68-protein-quality-control-in-the-endoplasmic-reticulum-the-fate-of-misfoldedで扱うERADの増強を含む）を目指すが、PERK-ATF4経路だけがCHOPというスイッチを介して「アポトーシス」へ舵を切ることができる——同じセンサーが時間経過 time course 時間経過（time course） time course（時間経過） とストレスの深刻度に応じて正反対の帰結（生存 vs 細胞死）を導く点が、この経路の最も重要な理解ポイントである。

まとめ

• ERストレスは折り畳まれていない/誤って折り畳まれたタンパク質の蓄積により生じ、BiPがIRE1・PERK・ATF6という3つのセンサーから解離してこれらを誤折り畳み misfolding 誤折り畳み（misfolding） misfolding（誤折り畳み） タンパク質に振り向けることでUPRが起動する。
• IRE1はXBP1 mRNAから26塩基のイントロンを切り出しRtcBが繋ぎ直す非古典的スプライシング non-conventional splicing 非古典的スプライシング（non-conventional splicing） non-conventional splicing（非古典的スプライシング） （産物はXBP1s）を介して、PERKはeIF2リン酸化による翻訳抑制とATF4選択的翻訳を介して、ATF6はゴルジでの切断を介して、それぞれ核内でUPR標的遺伝子 target gene 標的遺伝子（target gene） target gene（標的遺伝子） （シャペロンchaperoneシャペロン（chaperone）chaperone（シャペロン）、ERAD構成要素など）の転写を活性化しフォールディング能力を高めようとする。
• ストレスが緩和されない場合、PERK-ATF4経路が誘導するCHOPがBcl2抑制・BH3onlyタンパク質誘導・GADD34（PP1の調節サブユニット regulatory subunit調節サブユニット（regulatory subunit） regulatory subunit（調節サブユニット））誘導によるeIF2α脱リン酸化 dephosphorylation脱リン酸化（dephosphorylation） dephosphorylation（脱リン酸化）・DR5（death receptor 5）発現増加を通じてERストレス誘導性アポトーシス ER stress-induced apoptosis ERストレス誘導性アポトーシス（ER stress-induced apoptosis） ER stress-induced apoptosis（ERストレス誘導性アポトーシス） へ舵を切る。