JUNQとIPOD

背景

タンパク質が正常に機能するためには、ほとんどの場合、ネイティブ状態と呼ばれる低エネルギー3次元構造を維持していなければならない。タンパク質の安定性は、そのタンパク質の一生に渡って、厳密に調節されている。初めに、タンパク質はリボソームで合成され、その後、フォールディングや集合が起こる。そしてタンパク質は最終的に、細胞内環境により分解・除去される。タンパク質のホメオスタシス（プロテオスタシス）は、細胞内品質管理システムのさまざまな構成要素が（分子シャペロン、プロテアーゼ、その他の調節因子）協調して作動することによって達成される。つまり、細胞の生存可能性は、ミスフォールドタンパク質の「管理」をいかに効率的にタイミングよく行えるかに依存している。この「管理」とは、品質管理機構の一部であるシャペロンやE3リガーゼによるミスフォールドタンパク質の認識、ユビキチン付加、タンパク質分解といったプロセスを含む。
プロテオスタシスの崩れ（傷害、ストレス、変異、老化に起因する）は、神経変性疾患など多発するヒトの疾患の基盤となっていると言われる。これらの疾患は異なるタンパク質の変異（例えばハンチントン病の場合はハンチンチンというタンパク質）や異なる組織の損傷（ハンチントン病の場合は線条体）によって引き起こされるが、いずれの疾患も「封入体にミスフォールドタンパク質が蓄積する」という共通した特徴を持っている。この特徴から、封入体そのものがこれらの疾患の原因となっていると考えられてきた。しかし、このような細胞内に形成される封入体の性質や特徴は不明のままにあった。多くのタンパク質（プリオン、ERADの基質など）は、その種類によって異なる形態の封入体を形成することが報告されたものの（アグリソームやアミロイドなど）、これら観察された封入体がはたして同一の性質のものとして扱ってしまって良いものか、はまたま細胞内で同一の部位に蓄積しているのか、といった問題も未解決であった。さらには封入体の形成を導く経路がどういったものであるのか、そこでは細胞内のタンパク質品質管理機構がいかに関与しているのかについても不明であった。このため、タンパク質凝集や封入体形成を網羅的に理解するための系統的な解析が要請されていた。ここで、JUNQとIPODが発見されたことにより、細胞がどのように様々な種類のミスフォールドタンパク質を管理しているのかについて新しい知見がもたらされ、またタンパク質凝集に関する大きな謎を解決するための枠組みが明らかになったのである。

JUNQ

JUNQは、JUxta Nuclear Quality control compartment、つまり核の近傍に見られる品質管理コンパートメントを意味する。

意義

細胞のホメオスタシスを維持するためには、細胞が持つ品質管理システムが、適切にフォールドされたタンパク質とミスフォールドしたタンパク質を正しく識別する必要がある。タンパク質がミスフォールドすると、即座に認識され、リフォールディングもしくはユビキチン・プロテアソーム分解により厳密な取り扱いを受ける。
しかし、細胞内でミスフォールドタンパク質の存在量が様々なストレス（熱ショックなど）により上昇すると、品質管理機構が処理できるタンパク質の上限を超えてしまい、品質管理機構の飽和を引き起こす。このような場合には、ミスフォールドタンパク質の分解はもはや不可能になり、細胞の防御システムの「二次防衛ライン」が動き出すことになる。すなわち、ミスフォールドタンパク質の特定の細胞内部位への輸送である。
JUNQは、このようなミスフォールドタンパク質の隔離先の場所のひとつとしての役割を持つ。実験結果によれば、プロテアソームが（プロテアソーム構成サブユニットの一つであるRPN11の発現量低減などにより）機能不全に陥った時、ユビキチン化されたミスフォールドタンパク質はJUNQに送り込まれる。ストレス条件から回復した時には（許容温度における熱ショックからの回復など）、JUNQに蓄積していたミスフォールドタンパク質は、細胞内のシャペロン機構によりリフォールディングを受けるか、もしくは26Sプロテアソームによる分解を受けることが判明している。このことから、タンパク質へのJUNQへの隔離は、可逆的な過程であることが分かる。

性質

JUNQは膜に覆われていない細胞内部位である。細胞核の縁に位置し、小胞体のすぐ近くに存在する。光退色後蛍光回復測定（FRAP）および光退色中蛍光消失測定（FLIP）により、JUNQにあるタンパク質が可溶性であり、またサイトゾルとの間で行き来をしていることが明らかとなった。これにより、JUNQが動的な構造を持っていることが示唆された。
JUNQへの輸送は、分子シャペロンやコシャペロンに依存している他、アクチン細胞骨格にも依存している。ミスフォールドタンパク質は、ユビキチン化を受けていなければJUNQに送り込まれることはできない。もしユビキチン化反応が阻害された場合、ミスフォールドタンパク質はもうひとつの封入体IPODの方へと送られる。ミスフォールドタンパク質が蓄積すると、26SプロテアソームがJUNQへと召集される。

IPOD

IPODは、Insoluble Protein Deposit、つまり不溶性タンパク質の保管場所を意味する。

意義

プロテオスタシスを維持する細胞の能力は老化とともに衰退し、神経変性疾患の発症に繋がるという知見が、近年ますます有力視されるようになってきた。このような神経変性疾患（ハンチントン病など）では、変異の入ったタンパク質がミスフォールディングを起こし、（細胞質のタンパク質を変性させるなど様々な経路により）細胞内環境に対して毒性を呈すようになる。これら毒性を有するタンパク質種を分解できない時、細胞はこの危険なタンパク質を隔離させ、プロテオームと相互作用が起きることを食い止めなければならない。これを担うコンパートメントがIPODで、危険なアミロイド形成性タンパク質の隔離先として、保護的な品質管理コンパートメントとしての役割を担っていることが示された。
また、スーザン・リンドキストのグループは、酵母プリオンの成熟化が行われる場所が、このIPODであることを示唆する研究結果を発表している。従って、IPODは単なる隔離場所としてだけでなく、ひょっとすると機能性のコンパートメントとしての役割も担っているのではないかとも言われている。

性質

IPODは膜に覆われていない細胞内部位である。酵母では液胞の近傍に局在する。FRAPやFLIPの結果によれば、IPOD内にあるタンパク質はきつくパッキングされ、サイトゾルとの行き来も行なっていないことが分かっている。アミロイド形成性タンパク質（ハンチンチンタンパク質など）はIPODに輸送される基質である。
ミスフォールドタンパク質は非ユビキチン化状態でなければIPODに送り込まれることはできない。もともとIPODに輸送されるはずの基質（酵母プリオンタンパク質Rnq1など）をユビキチン化すると、基質はもうひとつの封入体であるJUNQへと送り込まれるようになる。
ミスフォールドタンパク質が蓄積すると、脱凝集シャペロンであるAAAタンパク質のHsp104がIPODに局在するようになる。ただし、Hsp104がIPODで何か機能を行なっているのか、それともIPODに送りこまれる基質に単にHsp104が引っかかっているだけなのかは分かっていない。
前オートファゴソーム構造体（pre-autophagosomal structure; PAS）がIPODの近傍に局在する。しかし、IPODの基質が液胞に輸送されるのかどうかは分かっておらず、従ってIPODとオートファジーとの関係も未解明のままにある。