エンドサイトーシスにおけるホスフォイノシチド変換

細胞膜は脂質、リン脂質から構成されます。
それらは混在し、リン脂質は
全体のおおよそ45%の体積を占めるといわれています。
細胞膜のリン脂質はホスフォイノシチドから
構成され、細胞内で1%しかないので
ほぼ細胞膜排他的に形成していると言えると考えます。
このホスフォイノシチドは酵素によって
代謝サイクルを持っていて、
サブタイプを変換する事によって
細胞膜の変形や小胞の移動に関わっているとされます。
York Posor, Wonyul Jang & Volker Haucke
(敬称略)ら医療研究グループは
細胞の物質の取り込み、その小胞形成に関わる
エンドサイトーシスについて
クラスリン依存、非依存的なプロセスを
総括されています(1)。
その内容の一部、追記、考察を
読者の方と情報共有したいと思います。

//エンドサイトーシス//ーー
ホスフォイノシチドである
PtdIns4PとともにPtdIns(4,5)P2は
細胞膜の強い陰イオン特性に影響を与えます。
PtdIns4Pは
〇PI4KIIIα
〇関連サブユニットEFR3, TTC7
これらによって合成されます(2)。
この複合体はFAM126Aによって安定化されます。
このタンパク質は脳の低髄鞘形成の患者さんで
変異していることがわかっています(3)。
PtdIns4PはPtdIns4P 5-kinases(PIPKI)。
これによってPtdIns(4,5)P2に変換されます。
これはエンドサイトーシス小胞形成に必要な脂質です。
一方、
エンドソームシステムは3-ホスフォイノシチドが
主要に形成しています。
エンドサイトーシスで見られる共通性は
その被膜がPtdIns(4,5)P2からPtdIns3Pに
変換されることに関係しています。
--
つまり細胞膜、エンドサイトーシス、エンドソーム形成
の過程においてホスフォイノシチドは
酵素の働きによってその特性に応じて
変換されていると言えます。

//クラスリン仲介エンドサイトーシス//ーー
クラスリン仲介エンドサイトーシス
Clathrin-mediated endocytosis (以下CME)は
全ての細胞が構造的に物質を内包化する
共通的な経路です(4)。
CMEの間、クラスリンは
表面リガンドである積荷タンパク質を
クラスリン被覆ピットに集中させます。
これは積荷タンパク質とPtdIns(4,5)P2。
これら両方をクラスリンアダプターが
同時検知することを通して行われます(5)。
--
発生期のクラスリン被覆ピットは
細胞膜を変曲させる機能を獲得し、
やがて発芽、エンドサイトーシス小胞を形成します。
分裂を通じて初期のエンドソームとなります。
このプロセスの間
PtdIns(4,5)P2は徐々に
3'-ホスフォイノシチドに変換されます。
それはエンドソーム系を特徴づけます。
--
多くのエンドサイトーシスタンパク質は
PtdIns(4,5)P2を関連し
〇the early-acting clathrin adaptor AP2, 
〇the Bin–Amphiphysin–Rvs (BAR) domain-containing 
proteins Fer/Cip4 homology domain-only protein 1 
(FCHO1) and FCHO2
〇numerous cargo adaptors 
これらを含みます(6)。
上述した
PtdIns(4,5)P2とFCHOタンパク質は
AP2の配座オープンニングを誘発し、
積荷タンパク質とクラスリンに結合することができます(7-9)。
発生期のクラスリン被覆ピット形成と
PtdIns(4,5)P2の合成は
AP2カーゴ複合体であるPIPKⅠの活性化に関わります(10)。
これはクラスリン被覆ピットの核形成の間
PtdIns(4,5)P2の局所的形成を誘発するため
PtdIns(4,5)P2に結合するアダプターの
正方向ループを立証します。
これはAP2に結合するクラスリンが
PIPKⅠを離脱させるまで続きます(11)。
--
クラスリン被覆ピットの成長と成熟は
PtdIns(4,5)P2が徐々に減少し、
PtdIns(3,4)P2が合成される事で生じます(12)。
このホスフォイノシチド変換のメカニズムは
〇PtdIns(4,5)P2 5-phosphatase synaptojanin 1 p170(13) , 
〇PtdIns(3,4,5)P3  
〇PtdIns(4,5)P2 5-phosphatase SHIP2(14)
これらの引き付けが関与します。
同時に
クラスリンは
PtdIns4PからPtdIns(3,4)P2を合成するために
PtdIns(4,5)P2-activated class II PI3K PI3KC2α。
これを引き付けます(12,15,16)。
このPI3KC2α、PtdIns(3,4)P2。
これらいずれかの欠損はクラスリン被覆ピットの
動きを停止させ、陥入過程に障害を与えます(12,16)。
PIK3C2A遺伝子のホモ接合変異は
腎臓疾患や白内障のような
先天性の疾患と関連があります。
これは細胞の早期老化を引き起こします(17)。
--
PtdIns(3,4)P2はエンドサイトーシスに関わる
クラスリン被覆ピットの収縮を促進するために
〇Membrane curvature-inducing Phox homology (Px) 
domain–BAR domain-containing proteins sorting nexin 9 
(SNX9) and SNX18 (12,18,19)
〇アクチン重合化を刺激(20)
これらを利用します。
この被膜の収縮は
エンドサイトーシス小胞の分裂、独立化のための
必要条件です。
それは集合的な
large GTPase dynamin
これを通して行われます(21)。 
それは
PtdIns(4,5)P2にプールされた
pleckstrin homology (PH) domain
これによって仲介されます(22,23)。
--
OCRL/synaptojanin 1仲介の加水分解は
PtdIns4Pを生成します(24)。
それは、クラスリンコートを除去するために
最終的に
〇co-chaperone protein auxilin
〇GAK 
これらを引き付けます。
PtdIns(3,4)P2からPtdIns3Pの変換は
エンドソーム 
4-phosphatase INPP4A。
これによって生じます(16,25)。
これは初期エンドソームに
発生期のエンドサイトーシス小胞が融合することを
促進するかもしれないと考えられています。

//クラスリン非依存性エンドサイトーシス//ーー
クラスリン非依存のエンドサイトーシスは
周辺環境などのコンテクスト依存や
組織特異的な需要に反応します。
それは受容体仲介クラスPI3K活性と関係します。
--
エンドフィリン仲介エンドサイトーシス(FEME)。
この間に、信号受容体の活性化は
受容体関連
class I PI3K isoforms PI3Kα and PI3Kβ。
これらによるPtdIns(3,4,5)P3合成を誘発します。
--
5-phosphatases SHIP1, SHIP2。
これらによるPtdIns(3,4)P2の形成は
PtdIns(3,4)P2関連アクチン変調器Lamellipodin。
これの細胞膜結合を誘発します(26)。
このLamellipodinは
被膜を変形させるN-BAR domainを含むタンパク質である
エンドフィンを細胞のエッジに引き付けます。
そこから受容体をエンドソーム内に内包化します。
加えて
この内包化プロセスは
F-BARドメインを含むタンパク質
FBP17とCIP4に依存します。
これはエンドフィリン構築、アクチン、ダイナミン。
これらのプロセスを準備します。
--
多量の細胞外の液体はマクロピノサイトーシスによって
内包化、細胞内に取り込まれます。
そのためには細胞膜を大きなスケールで変形させる
必要があります。
それはアクチンの重合化が関与します。
PIPKIαとPIPKIγ。
これらにより生産されたPtdIns(4,5)P2は
〇アクチンネットワークの安定化。
〇アクチン核形成促進因子の活性化。
これらにおいて重要な役割を果たします(27)。
--
マクロピノサイトーシスカップの伸長、閉鎖は
PtdIns(3,4,5)P3のクラスⅠ PI3K仲介合成によって生じます。
これは
グアニン-ヌクレオチド交換因子。
GTPase活性タンパク質。
これらの改変を通したRho family GTPases。
この活性によって仲介されます(28,29)。
この過程では
PtdIns(4,5)P2の喪失
アクチンメッシュワークの分解が
マクロピノサイトーシスカップの基底から生じます。
それに引き続いて
SHIP1/2 and INPP4A/B。
これらの活性がPtdIns(3,4,5)P3をPtdIns3Pに
変換し、MTMR6を除去します(30,31)。
--
PtdIns3P and PtdIns4P結合タンパク質Phafin 2。
これはホスフォイノシチド変換と
アクチン細胞骨格の配置調整を結びつけます。
それによりマクロピノサイトーシスによる
内包化が可能になります(32)。

//まとめ//ーー
エンドサイトーシスの共通的な原理は
被膜の変形、形状制御をホスフォイノシチド変換反応と
結びつけることにあります。
ホスフォイノシチド変換では
PtdIns(4,5)P2からPtdIns3Pに移り変わります。
従って、初期のエンドソームでは
PtdIns3Pが細胞膜リン脂質の構成で多くなります。
(参考文献(1) Fig.2参照)

//細胞種特異的輸送系統の観点//ーー
細胞種特異的輸送系統(*)において
エクソソームなど細胞外小胞を輸送媒体として使う時には
細胞外小胞に任意の表面リガンドを形成する事が
1つの有効な手段であると想定されます。
(*)Cell-type-specific delivery system
その具体的な方法としては
親細胞に遺伝子ベクトルを入れて、
その遺伝子のタンパク質発現によって
細胞外小胞表面に任意の表面リガンドを形成させます。
その時には細胞外小胞に比べて
顕著に大きな面積を占める細胞膜から
表面リガンドを引き継ぐ必要がありますが、
どのように選択されるかはランダムではない可能性があります。
例えば、エクソソームで有れば
テトラスパニンと呼ばれる表面リガンドが
代表的なものとして挙げられます。
York Posor, Wonyul Jang & Volker Haucke
(敬称略)らが示す参考文献(1) Fig.2aでは
表面リガンドの細胞質側に
クラスリンアダプターが結合する様子が描かれています。
このクラスリンアダプターが結合する
表面リガンドは少なくとも
エンドソーム形成には必要で、
少なくもエンドソーム内側には形成されることになります。
このような陥入プロセスに関わる表面リガンドが
少なくともリン脂質の部分の中では
優先的に引き継がれると考える事もできます。
その時に膜を変形するために
どれくらいの密度が必要かというのが重要な視点です。
膜を変曲させるため
クラスリン被覆ピットに集合させる必要があるので、
表面リガンドが高密度で形成することも考えられます。
そのような視点に立つと
細胞膜にある表面リガンドの構成と
エンドソーム、腔内膜小胞(エクソソーム)。
これらの表面リガンドの平均的な構成は
変わる可能性があると考えられます。

(参考文献)
(1)
York Posor, Wonyul Jang & Volker Haucke
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