小胞の分泌、移動、放出に対するホスフォイノシチドの役割

ホスフォイノシチドは50年以上前に
ホルモンの分泌の刺激を受けて代謝回転をする
リン脂質種として発見されました。
その代謝回転、ホスフォイノシチドサイクルは
〇gonists activate phospholipase C (PLC) 
〇PtdIns(4,5)P2
〇DAG
〇Ins(1,4,5)P3
これらが順に関与しており、
PtdIns(4,5)P2の再循環、再合成に続きます(2)。
--
ホスフォイノシチドは
エクソサイトーシス(分泌)
エンドサイトーシス(内包化)
これらに沿った被膜の輸送のあらゆる過程を
制御するものです。
ホスフォイノシチドのこの役割は
細胞内の区分けの分布に関係します(3)。
つまり、細胞内にある多くの被膜の分布に
影響すると考えられます。
その被膜は細胞内を区画化するものです。
--
ホスフォイノシチドのうち
〇PtdIns4Pはゴルジ複合体
〇PtdIns(4,5)P2は細胞膜
　※PtdIns4Pは少ない
〇PtdIns(3,5)P2はエンドリソソーマルシステム
これらに多く含んでいます。
--
これらは互いに相互作用をしますが、
細胞内小器官の被膜の同一性を保持するため
ホスファターゼ、キナーゼなどの酵素の働きによって
上述したホスフォイノシチドのサブタイプは
相互変換する事が可能です。
(参考文献(1) Fig.1b参照)
--
York Posor, Wonyul Jang & Volker Haucke
(敬称略)ら医療研究グループは
〇エクソサイトーシス(分泌)経路
〇エンドサイトーシス(内包化)経路
〇エンドソームからの積載物仕分け
これらに対して被膜の流動を
ホスフォイノシチドがどのように方向づけしているか？
これについて総括されています(1)。
本日はその内容の一部、追記、考察を
読者の方と情報共有したいと思います。

//トランスゴルジネットワーク//ーー
小胞体内で合成された分泌タンパク質は
COPⅡ小胞、あるいはチューブを通して
ゴルジ複合体に輸送されます。
その後、小胞などのキャリアに内包され
細胞膜となります。
これをトランスゴルジネットワーク(TGN)
このようの呼びます。
トランスゴルジネットワークの
タンパク質分泌、機能は
ゴルジ複合体に多く存在するPtdIns4Pに依存します。
脊柱動物ではPtdIns4-kinaseは
4つのアイソフォームを持ちます。
〇PI4KIIIα, PI4KIIIβ
〇PI4KIIα, PI4KIIβ
これらです。
これらの酵素は
〇Small GTPase ARF1(4)
〇Giantin-interacting protein ACBD(5)
これらによって引き付けられます。

//PtdIns4Pによるキャリア形成の制御//ーー
ホスフォイノシチドは小胞体には
多く含まれていませんが、
小胞体出口でのCOPⅡコート輸送体形成は
PI4KIIIαの生成によるPtdIns4Pと関連します(6)。
--
どのように小胞体-ゴルジ輸送が進んでいるか？
それについては明らかではありませんが、
どのように初期に分泌した物質が
PtdIns4Pを豊富に含む輸送体の被膜に関連しているか
これについては説明する事が出来ます。
--
トランスゴルジネットワークの中で
ゴルジ複合体から
細胞膜、もしくはエンドリソソーム。
これらへ輸送体が向かうためには
PtdIns4P。
これが必要です(7)。
クラスリンアダプタータンパク質の
AP1, GCA1, GGA2の被膜引き付けは
トランスゴルジネットワークから
エンドソーム、リソソームへの輸送を仲介します。
このタンパク質は
エンドサイトーシスに関わるクラスリンを
引き付けるので、小胞として存在する
エンドソーム、リソソーム内への
取り込みに関わると考えられます。
これらの系統は
PtdIns4Pによって促進されます。
〇トランスゴルジネットワーク
〇エンドソーム被膜
これらのクラスリンアダプターを組み立てるための
PtdIns4Pの重要性は
〇AP1 with PI4KIIβ(8)
〇GGA2 with PI4KIIIβ(9) 
〇AP3 with PI4KIIα (10)
これらの相互作用によって立証されています。
--
分泌のための輸送体小胞のクラスリン非依存の
形成についての包括的な理解は進んでいません。
しかし、
PtdIns4Pは中心的な役割を担います。
--
PtdIns4Pのエフェクターは
GOLPH3を含みます。
このタンパク質はPtdIns4P、myosin18A
と相互作用し、ゴルジ膜に張力を与えます(11)。
--
トランスゴルジネットワークからの
分泌輸送体小胞形成のための
被膜チューブの突き出しは
マイクロチューブモータータンパク質。
これと関連します(12)。
DoPeY1–MoN2複合体の記述によれば
モータータンパク質である
キネシン依存の輸送体小胞の形成は
PtdIns4Pに依存するとされています(13)。
〇PI4KIIIβ
〇14-3-3 protein-γ 
〇CTBP1/BARS(fission-promoting factors)(14)
〇Protein kinase D (PKD)(15)
これらの複合体は
小胞キャリアの押出、切断に関連するとされています。
--
トランスゴルジネットワークからの
輸送体の放出の中で
PtdIns4Pのより複雑な制御機能は
〇グリコスフィンゴ脂質
〇スフィンゴミエリン
〇コレステロール
これらを豊富に含む
ポストゴルジ被膜の脂質構成を維持するための
分泌輸送体の形成に関係します。
トランスゴルジネットワーク被膜の中の
PtdIns4Pは
小胞体からトランスゴルジネットワークへ
コレステロール、セラミド脂質を
輸送するために必要です。
それが、PtdIns4Pの生成を促進します。
セラミドはスフィンゴミエリンを生成するために
ホスファチジルコリンを共に使います。
それによりDAGを形成し、
その後、タンパク質キナーゼD(PKD)を活性化します(16)。
タンパク質キナーゼDは
トランスゴルジネットワークでの
分泌輸送体形成を促進します。
さらにPI4KIIIβを活性化します(17)。
--
コレステロールレベルの上昇は
〇パルミトイル化
〇PI4KIIαのトランスゴルジネットワーク引き付け
これらを促進します。
合わせてPI4KIIIβは PtdInsからの
PtdIns4P合成を促進します(18)。
--
PtdIns4Pはポストゴルジ膜が
独自の被膜構成特性を獲得するため
TGNからの分泌を連結させます。
--
PtdIns4Pは
成長因子や栄養素の利用性に反応して
分泌を調整する機能があります。
血清枯渇は小胞体からゴルジ複合体へ
PtdIns4P 4-phosphatase SAC1
これを転座させます。
それによって
トランスゴルジネットワークの
PtdIns4Pレベルが減少します。
PtdIns4Pは細胞質のpHのセンサーとして
機能するかもしれないとされています。
細胞質の酸性化
PtdIns4Pの脂質基のホスホエステルのプロトン化
これらはPtdIns4P結合エフェクタータンパク質との
相互作用を乱します。
これは非許容の代謝条件下での
分泌の抑制を導き、
プロトンポンプの不活性化に繋がります(19)。

//エクソサイトーシス//ーー
分泌経路の最終的な段階である
小胞のエクソサイトーシスは
細胞膜の捕獲によって生じます。
そして細胞膜と融合します。
神経細胞や神経内分泌細胞の
制御されたエクソサイトーシスは
細胞膜のPtdIns(4,5)P2レベルに対応します(20,21)。
それはトランスとして機能し
synaptotagmin 1を通して
細胞膜と分泌小胞との結合を促進します(22)。
エクソサイトーシスは
〇コラーゲン
〇グリコサミノグリカン
これらの一般的な細胞膜タンパク質の
分泌を必要とします。
さらに細胞膜でPtdIns(4,5)P2に小胞が結合する
8つのサブユニット複合体が必要です(23)。
これらの複合体の役割は
〇Small GTPase 
〇RAB11 
〇PtdIns4P
これらによって制御されます(24)。
--
PtdIns3Pが豊富なエンドソームから生まれた
再循環する小胞のエクソサイトーシスは
PtdIns3PからPtdIns4Pへの変換を必要とします。
この変換は
〇MTM1
〇PI4KIIα
これらが機能します(25)。
実際に、PI4KIIαは神経細胞から分泌された
シナプス性小胞から見つかりました。
従って、小胞のエクソサイトーシスの
最後のステップを制御している
メカニズムであると示唆されます(26)。
--
分泌小胞の形成、分裂は
PtdIns4Pによって制御されます。
一方で、エクソサイトーシスの最後の段階は
PtdIns(4,5)P2によります。
これはエクソサイトーシスのための
細胞膜を特定する鍵となる決定因子です。

//考察//ーー
ホスフォイノシチドは
細胞内小器官、細胞内の機能ごとに
サブタイプを酵素の作用をうけながら
制御下の中で変換されている事が述べられています。
その典型的な様子を
York Posor, Wonyul Jang & Volker Haucke
(敬称略)らはFig.1cに色分けして示しています。
例えば、
ゴルジ複合体ではほぼ排他的に
PtdIns4Pが機能しています。
細胞膜のうちエンドサイトーシスに関わるのが
PtdIns(4,5)P2です。
一方で、ホスフォイノシチドは
リン脂質ですが、それ以外の脂質の部分も
小胞や細胞膜の一部に含まれます。
ホスフォイノシチドと表面タンパク質との
結合は弱く、結合サイトが複数になるなど
付加的な強化作用が必要だと言われています。
リン脂質と脂質の異なる構成の中での
細胞膜上の表面リガンドの選択性、分布はどうか？
このような疑問があります。
リン脂質は細胞膜の45%程度と言われています。

(参考文献)
(1)
York Posor, Wonyul Jang & Volker Haucke
Phosphoinositides as membrane organizers
Nature Reviews Molecular Cell Biology (2022)
(2)
Balla, T. Phosphoinositides: tiny lipids with  
giant impact on cell regulation. Physiol. Rev. 93, 
1019–1137 (2013).
(3)
Di Paolo, G. & De Camilli, P. Phosphoinositides in cell 
regulation and membrane dynamics. Nature 443, 
651–657 (2006).
(4)
Godi, A. et al. ARF mediates recruitment of PtdIns- 
4-OH kinase-beta and stimulates synthesis of 
PtdIns(4,5)P2 on the Golgi complex. Nat. Cell Biol. 1, 
280–287 (1999).
(5)
Sasaki, J., Ishikawa, K., Arita, M. & Taniguchi, K. 
ACBD3-mediated recruitment of PI4KB to 
picornavirus RNA replication sites. EMBO J. 31,  
754–766 (2012).
(6)
Blumental-Perry, A. et al. Phosphatidylinositol 
4-phosphate formation at ER exit sites regulates ER 
export. Dev. Cell 11, 671–682 (2006).
(7)
Szentpetery, Z., Varnai, P. & Balla, T. Acute 
manipulation of Golgi phosphoinositides to assess 
their importance in cellular trafficking and signaling. 
Proc. Natl Acad. Sci. USA 107, 8225–8230 (2010).
(8)
Wieffer, M. et al. PI4K2beta/AP-1-based 
TGN-endosomal sorting regulates Wnt signaling.  
Curr. Biol. 23, 2185–2190 (2013).
(9)
Daboussi, L., Costaguta, G., Ghukasyan, R. &  
Payne, G. S. Conserved role for Gga proteins in 
phosphatidylinositol 4-kinase localization to the 
trans-Golgi network. Proc. Natl Acad. Sci. USA 114, 
3433–3438 (2017).
(10)
Craige, B., Salazar, G. & Faundez, V. 
Phosphatidylinositol-4-kinase type II alpha contains 
an AP-3-sorting motif and a kinase domain that are 
both required for endosome traffic. Mol. Biol. Cell 19, 
1415–1426 (2008).
(11)
Rahajeng, J. et al. Efficient Golgi forward trafficking 
requires GOLPH3-driven, PI4P-dependent membrane 
curvature. Dev. Cell 50, 573–585 e575 (2019).
(12)
De Matteis, M. A. & Luini, A. Exiting the Golgi 
complex. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 9, 273–284  
(2008).
(13)
Mahajan, D., Tie, H. C., Chen, B. & Lu, L. 
Dopey1-Mon2 complex binds to dual-lipids and 
recruits kinesin-1 for membrane trafficking.  
Nat. Commun. 10, 3218 (2019).
(14)
Valente, C. et al. A 14-3-3gamma dimer-based 
scaffold bridges CtBP1-S/BARS to PI(4)KIIIbeta to 
regulate post-Golgi carrier formation. Nat. Cell Biol. 
14, 343–354 (2012).
(15)
Liljedahl, M. et al. Protein kinase D regulates the 
fission of cell surface destined transport carriers from 
the trans-Golgi network. Cell 104, 409–420 (2001).
(16)
Baron, C. L. & Malhotra, V. Role of diacylglycerol in 
PKD recruitment to the TGN and protein transport to 
the plasma membrane. Science 295, 325–328 (2002).
(17)
Hausser, A. et al. Protein kinase D regulates  
vesicular transport by phosphorylating and activating 
phosphatidylinositol-4 kinase IIIbeta at the Golgi 
complex. Nat. Cell Biol. 7, 880–886 (2005).
(18)
Lu, D. et al. Phosphatidylinositol 4-kinase IIalpha is 
palmitoylated by Golgi-localized palmitoyltransferases 
in cholesterol-dependent manner. J. Biol. Chem. 287, 
21856–21865 (2012).
(19)
Shin, J. J. H. et al. pH biosensing by PI4P regulates 
cargo sorting at the TGN. Dev. Cell 52, 461–476 
e464 (2020).
(20)
Milosevic, I. et al. Plasmalemmal phosphatidylinositol-
4,5-bisphosphate level regulates the releasable 
vesicle pool size in chromaffin cells. J. Neurosci. 25, 
2557–2565 (2005).
(21)
Walter, A. M. et al. Phosphatidylinositol 4,5- 
bisphosphate optical uncaging potentiates exocytosis. 
eLife https://doi.org/10.7554/eLife.30203 (2017).
(22)
Chen, Y. et al. Synaptotagmin-1 interacts with  
PI(4,5)P2 to initiate synaptic vesicle docking in 
hippocampal neurons. Cell Rep. 34, 108842 (2021).
(23)
He, B., Xi, F., Zhang, X., Zhang, J. & Guo, W. Exo70 
interacts with phospholipids and mediates the 
targeting of the exocyst to the plasma membrane. 
EMBO J. 26, 4053–4065 (2007).
(24)
Mizuno-Yamasaki, E., Medkova, M., Coleman, J. & 
Novick, P. Phosphatidylinositol 4-phosphate controls 
both membrane recruitment and a regulatory switch 
of the Rab GEF Sec2p. Dev. Cell 18, 828–840 (2010).
(25)
Ketel, K. et al. A phosphoinositide conversion 
mechanism for exit from endosomes. Nature 529, 
408–412 (2016).  
(26)
Guo, J. et al. Phosphatidylinositol 4-kinase type 
IIalpha is responsible for the phosphatidylinositol 
4-kinase activity associated with synaptic vesicles. 
Proc. Natl Acad. Sci. USA 100, 3995–4000 (2003).