​研究の背景:小胞体、そして小胞体ストレスとは?

《タンパク質の折り畳み》​

​酵母は約6千種類、高等動植物は数万種類のタンパク質を作ります。 mRNAがリボゾームにて翻訳されることによって生まれるヒモ状の分子がポリペプチドであり、ポリペプチドが正しく折り畳まれることによってタンパク質が完成します。 折り畳みに失敗したタンパク質は細胞の中で凝集し、細胞にダメージを与えます。 アルツハイマー病やパーキンソン病などの神経変性疾患は、そのことが原因となって発症すると言われています。 細胞の中には、タンパク質の凝集を防ぎ、折り畳みを助ける分子シャペロンが存在しています。

《小胞体》​

小胞体は、動植物そして酵母など、あらゆる真核生物細胞が持つオルガネラです。 その実体は扁平あるいはチューブ状の形をした袋であり、細胞外に分泌されるタンパク質や他のオルガネラ​​で働くタンパク質の製造工場として働きます。 小胞体の内部にはたくさんの分子シャペロンが存在しており、リボゾームから小胞体に送られてきたポリペプチドを折り畳みます。 そして、正しく折り畳まれたタンパク質のみ小胞体から運び出されるのです。 また、小胞体のもう一つの役割は、細胞膜やさまざまなオルガネラを覆う膜となるリン脂質を合成することです。

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小胞体における分泌タンパク質折り畳みと、小胞体からの運び出し:リボゾームにて作られたポリペプチド(赤色)は小胞体にて折り畳まれ、小胞体膜から生じる輸送小胞に詰め込まれて、ゴルジ体を経て細胞表層へと運ばれる
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小胞体の顕微鏡像: (A) 電子顕微鏡像。扁平な袋である小胞体(ER)の表面にリボゾーム(黒い点)が付着している。 (B)小胞体局在タイプの蛍光タンパク質(GFP)を発現させた酵母細胞を蛍光顕微鏡にて観察した。扁平な2層の袋が2重の輪のように観察される。

《小胞体ストレスと小胞体ストレス応答》​

小胞体の機能不全は小胞体ストレスと呼ばれ、小胞体内への折り畳み不全タンパク質の蓄積を伴います。 小胞体ストレスにより、真核生物細胞は小胞体分子シャペロンを含む数多くの小胞体タンパク質の量を増やし、小胞体の機能を亢進します。 この現象が小胞体ストレス応答です。

Ire1は小胞体ストレスセンサーとして知られている膜タンパク質です。 小胞体ストレスに応じてIre1は活性化して、RNA切断酵素として働きます。 酵母では、その標的はHAC1 mRNAです。 Ire1によってスプライシングされたHAC1 mRNAは核内転写因子タンパク質に翻訳され、小胞体ストレス応答における小胞体タンパク質遺伝子発現誘導を司ります。

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酵母の小胞体ストレス応答: Ire1は小胞体ストレスに応じて自己会合し、RNA​切断酵素(RNase)として働く。そしてHAC1 mRNAをスプライシングにより成熟させ、小胞体ストレス応答を引き起こす。

​私たちのこれまでの発見

​私たちはこれまで、出芽酵母(Saccharomyces cerevisiae、サッカロミセス・セレビジエ)を材料として、小胞体ストレス応答についての研究を進めてきました。

 

《小胞体ストレスに応じたIre1の自己会合》​

​私たちは小胞体ストレスに応じてIre1が自己会合(Ire1タンパク質分子同士が合わさる)して多量体タンパク質を形成することを見いだしました。 Ire1多量体は強いRNA切断活性を示し、小胞体ストレス応答を惹起します。

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小胞体ストレスに応じたIre1の多量体化:Ire1の細胞内局在を蛍光抗体染色法によって可視化した。 ストレスが無い状態ではIre1は小胞体全体に広がっているが、小胞体ストレス状態では(この場合は、DTTを培地に加え、小胞体におけるタンパク質の折り畳みを阻害した)Ire1は大きな多量体を形成して点状の局在を示す。

《Ire1が小胞体ストレスを感知する仕組み》​

小胞体ストレスセンサーとして知られるIre1ですが、どのような仕組みでIre1は小胞体ストレスを感知するのでしょうか? 私たちは、小胞体内部に蓄積した折り畳み不全タンパク質をIre1は直接的に認識して活性化することを見いだしました。 しかし一方、膜脂質の構成成分の異常も小胞体ストレスとなり、Ire1を活性化します。 この場合のIre1活性化メカニズムは、折り畳み不全タンパク質蓄積によるものとは異なるようです。

《どのような局面で細胞は小胞体ストレス状態になるのか?》​

​生物が人為的な実験室環境や人為的な遺伝子操作以外のどのような局面で小胞体ストレス状態になり、Ire1/HAC1が軸となる小胞体ストレス応答経路が必要となるのでしょうか? 私たちは酵母細胞をモデルとして、その問題にアプローチしてきました。 私たちのこれまでの研究により、現在でもなお環境汚染物質として世界中で問題となっているカドミウムが、小胞体におけるタンパク質の折り畳みを阻害することを見いだしました。 また、酵母によるエタノール発酵は産業的、そして社会的にも重要な事象ですが、私たちのこれまでの研究によると、高濃度のエタノールは小胞体ストレスを惹起し、エタノール発酵中の細胞障害の一因となります。