オートファジー
オートファジー (Autophagy) は、細胞が持っている、細胞内のタンパク質を分解するための仕組みの一つ。自食（じしょく）とも呼ばれる。酵母からヒトにいたるまでの真核生物に見られる機構であり、細胞内での異常なタンパク質の蓄積を防いだり、過剰にタンパク質合成したときや栄養環境が悪化したときにタンパク質のリサイクルを行ったり、細胞質内に侵入した病原微生物を排除することで生体の恒常性維持に関与している。このほか、個体発生の過程でのプログラム細胞死や、ハンチントン病などの疾患の発生、細胞のがん化抑制にも関与することが知られている。
auto-はギリシャ語の「自分自身」を表す接頭語、phagyは「食べること」の意で、1963年にクリスチャン・ド・デューブにより定義された[1]。
1953年から1955年にかけてクリスチャン・ド・デューブにより多様な加水分解酵素を含む細胞小器官としてリソソームが発見された[2]。ド・デューブは、1963年に細胞が自身のタンパク質を小胞としてリソソームと融合し分解する現象をオートファジー、その小胞をオートファゴソームと命名した[2][3]。
その後、ユビキチン-プロテアソーム系によるタンパク質分解機構の解明は進むが、一方、オートファジーの分子生物学的な解明についてほとんど進展がみられなかった。これは電子顕微鏡による観察がオートファゴソームを検出する唯一の手段であったことが大きな要因であった[2]。また、オートファジー現象を否定する論文も発表されていた[3]。
1992年に大隅良典らは出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）でのオートファジーを初めて観察した[2]。
液胞はリソソームと似た性質を持つ小器官で多数の加水分解酵素を内在しており、出芽酵母においては細胞体積の25%以上を占める最大のコンパートメントである[2][4]。また、出芽酵母は窒素源が枯渇すると減数分裂と胞子形成を起こすが[2][3]、液胞の加水分解酵素を欠損した株は胞子形成が不全になる事が知られており、液胞が栄養飢餓状態で重要な生理機能を持つことが示唆されていた[2]。
これらの事に着目した大隅らは、タンパク質分解酵素欠損株を飢餓状態にして観察した。大隅の予想は当たり、タンパク質分解酵素欠損のため分解されずに液胞に蓄積した小さな顆粒状のものがブラウン運動で激しく動き回っているのを認めた[2][3][5]。
電子顕微鏡を用いた更なる観察により次のような事が判明した。顆粒は一重膜の構造体であることが示され、オートファジックボディーと名付けられた[2][6]。飢餓に応答して隔離膜が出現し、膜の伸長と共に細胞質のタンパク質などを取り囲みオートファゴソームを形成する[2]。オートファゴソームは直ちに液胞と融合する。融合時にオートファゴソームの外側の膜と液胞の膜が融合し、オートファゴソームの内側の膜に囲まれた部分が液胞に放出され一重膜のオートファジックボディーとなる[6]。出芽酵母で観察された、これら一連の膜動態はド・デューブの提唱したオートファジー現象そのものであった[2]。
大隅らは出芽酵母を突然変異誘起剤で処理し、ランダムに遺伝子を傷付けることでオートファジー不能変異体の作成を試みた。5000個の突然変異体の中から１つだけ変異株が見つかり、オートファジー(A</b>uto<b data-parsoid='{"dsr":[2695,2702,3,3]}'>p</b>ha<b data-parsoid='{"dsr":[2704,2711,3,3]}'>g</b>y)のスペルから「apg1変異体」と名付けられた[2][7]。詳しい解析より、当時役割が知られていない遺伝子に傷が付いていることが分かり「APG1遺伝子」と名付けられた[2][8]。大隅らはAPG1を含め14種類のオートファジー不能変異体を同定し、それらの遺伝子解析からオートファジーに必須となる14種類の遺伝子を確定し、1993年にFEBS Lettersに論文を発表した[2][8]。
2003年に外国の複数のグループがAPGと同じ遺伝子を異なる名前で研究していたことが明らかとなり、オートファジー関連遺伝子の名前がATG (A</b>u<b data-parsoid='{"dsr":[3177,3184,3,3]}'>t</b>opha<b data-parsoid='{"dsr":[3188,3195,3,3]}'>g</b>y)として統一された。APG1はATG1にAPG16はATG16と、大隅の付けた番号がそのまま引き継がれた[9]。
現在（2014年）では38種類のATG遺伝子が同定されている。その内、合計18個（Atg1～Atg10，Atg12～Atg14，Atg16～Atg18，Atg29，Atg31）がオートファゴソームの形成に必須の遺伝子とされている[2][10]。
大隅らが酵母でのオートファジー遺伝子の同定を行っていた当時、ヒトやマウスの全ゲノム解読DNAが行われていた。これらの成果を基にATG遺伝子のヒトやマウスのホモログが発見されていった。1998年に初の哺乳類Atg相同因子であるAtg12とAtg5が、1999年にAtg6相同因子であるBeclin1が発見された。2000年にはAtg8の哺乳類相同因子であるLC3の論文が発表された[11]。
隔離膜の起源について決定的な証拠がなく長年結論の出ない状態であった。2008年、オートファゴソームが小胞体の近くで形成されることが示され、オートファゴソームの小胞体起源説が強く示唆された。その後、ミトコンドリア起源説も提唱され論争が起きるが、2013年に発表された論文で、隔離膜が形成される小胞体上の箇所はミトコンドリアと小胞体の接触部位であることが示され、小胞体起源説とミトコンドリア起源説はどちらも正しいことが判明した。この結果は、小胞体とミトコンドリアという機能も由来も全く異なる2つの独立した細胞小器官が協働して第3の細胞小器官・オートファゴソームを作るという驚くべき結果であった[12]。
2005年、ダニエル・J・クリオンスキー（Daniel J Klionsky）はオートファジーに特化した科学雑誌Autophagy誌を立ち上げ、編集長となった[13]。
オートファジーは、そのメカニズムの違いから(1)マクロオートファジー、(2)ミクロオートファジー、(3)シャペロン介在性オートファジーの3つに分けられる。 単にオートファジーといった場合は、普通マクロオートファジーのことを指す。
マクロオートファジー細胞がある種のストレス（アミノ酸飢餓の状態や、異常タンパク質の蓄積）に晒されると、細胞質中の一部で、過剰に作られたタンパク質や異常タンパク質と共にリン脂質が集まり、オートファゴソーム(Autophagosome,AP、またはオートファジー小胞 Autophagic vesicle)と呼ばれる細胞内構造の形成がはじまる。集積したリン脂質は<b data-parsoid='{"dsr":[5200,5209,3,3]}'>隔離膜(Isolation membrane, IMもしくはPhagophore, PG)と呼ばれる脂質二重膜を形成し、さらにそれが成長していくことで、細胞質成分やオルガネラなどを二重のリン脂質の膜で取り囲んだ小胞が形成される。この小胞形成には、Atg (a</b>u<b data-parsoid='{"dsr":[5360,5367,3,3]}'>t</b>opha<b data-parsoid='{"dsr":[5371,5378,3,3]}'>g</b>y)タンパク質と呼ばれる一群のタンパク質が関与している。 酵母や植物細胞では、形成されたオートファゴソームは液胞と膜融合し、その内部に取り込まれた異物などは液胞内部の分解酵素によって分解される。動物細胞においては、オートファゴソームが形成されると、次にオートファゴソームと細胞内のリソソームが膜融合を起こす。こうしてリソソームと融合したものを<b data-parsoid='{"dsr":[5558,5572,3,3]}'>オートリソソーム（Autolysosome,AL、こちらもオートファジー小胞に含まれる）と呼ぶ。オートリソソームの内部で、オートファゴソームに由来する分解すべきタンパク質と、リソソームに由来するさまざまなタンパク分解酵素が反応し、この結果、オートファゴソームに取り込まれていたタンパク質はアミノ酸やペプチドに分解される。このとき、オートファゴソームの二重膜のうち、内側の脂質膜も同時に分解される。
ミクロオートファジーミクロオートファジー(microautophagy)はリソソーム膜の一部が内側にくびれ込みリソソーム内の小さな袋となる事で、細胞質成分を直接取り込み分解するオートファジー。マクロオートファジーとは違い、オートファゴソームを介さない。現在(2011年)その実体はほとんど明らかとなっていない[14]。 シャペロン介在性オートファジーシャペロン介在性オートファジー(chaperone-mediated autophagy)では分解標的となるタンパク質がHsc70シャペロンタンパク質に識別されリソソームへ導かれる。タンパク質はリソソーム表面で高次構造を解かれ、その状態でトランスポーターを通過する。こうしてリソソーム内部に入ったタンパク質を分解するオートファジーである。Hsc70シャペロンが認識するアミノ酸配列として、リジン-フェニルアラニン-グルタミン酸-アルギニン-グルタミン配列 (KFERQ様配列）が知られている。シャペロン介在性オートファジーも生理的役割の多くは不明である[15][16]。
また分解する対象によって、別の呼び方がされる場合もある。
ペキソファジーペルオキシソームを選択的に分解する。 マイトファジーマイトファジー(mitopahgy)またはミトファジーとも。ミトコンドリアを選択的に分解するオートファジー。ATPを産生できなくなった不良ミトコンドリアは、オートファジーにより選択的に分解されるという仮説が提唱されている。不良ミトコンドリアが蓄積すると、活性酸素が細胞質内に漏れ出し細胞にとって危険である。家族性パーキンソン病の原因の一つにパーキン遺伝子の異常が知られているが、ユール(Richard J. Youle)らは原因遺伝子の一つPARK2がコードしているタンパク質Parkinが膜電位の低下したミトコンドリアに局在すると、不良ミトコンドリアがオートファジーによって分解される事を発見した。若年性パーキンソン病関連遺伝子PINK1/PARK6がコードするタンパク質PINK1は、膜電位が低下したミトコンドリア上にのみ安定に局在し、このミトコンドリア上のPINK1がユビキチンリガーゼであるParkinと結合することで、ミトコンドリア上のタンパク質をユビキチン化する。これを引き金として不良ミトコンドリアは選択的にオートファジーによる分解を受ける。マイトファジーがミトコンドリアの品質管理に重要な役割を担っていることを強く示唆している[17][18]。 ゼノファジー細胞内に侵入した細菌を分解する。
細胞は、タンパク質を新たに作り出す機構だけでなく、作ったタンパク質が不要になった場合に分解する機構も持っている。この機構を<b data-parsoid='{"dsr":[7659,7672,3,3]}'>タンパク質分解</b>と呼ぶが、これには
ユビキチン - プロテアソーム系 オートファジー
の二つの主要な機構が存在する。
ユビキチン−プロテアソーム系では、分解するべきタンパク質の一つ一つに、ユビキチン分子が複数結合することでプロテアソームにより認識されて分解されるというかたちで個々のタンパク質ごとの分解が行われるのに対し、オートファジーでは、一度に多くのタンパク質が分解される。このためオートファジーによるタンパク質分解のことは<b data-parsoid='{"dsr":[7889,7900,3,3]}'>バルク分解</b>とも呼ばれる。
細胞が生命活動を行うためには、必要な遺伝子を発現させて、タンパク質などの生体高分子を生合成する必要がある。タンパク質はアミノ酸からなる高分子であり、細胞が生命活動を行うためにはその材料となる必須アミノ酸を、栄養源として細胞外から取り込む必要がある。
個体が飢餓状態におかれて栄養が枯渇し、アミノ酸の供給が断たれることは、細胞にとっては生死に関わる重大なダメージになりうる。しかしオートファジーが働くことによって、細胞は一時的にこのダメージを回避することが可能だと考えられている。オートファジーが起きると、細胞内に常に存在しているタンパク質（ハウスキーピング蛋白）の一部が分解されて、ペプチドやアミノ酸が生成され、それが細胞の生命活動にとって、より重要性の高いタンパク質を合成する材料に充てられると考えられている。この機構は動物の個体レベルにおいても観察され、例えばマウスを一晩絶食させることで、肝細胞でオートファジーが起きることが知られている。
ただし、オートファジーによる栄養飢餓の回避はあくまで一時的なものであり、飢餓状態が長く続いた場合には対処することができない。この場合、オートファジーが過度に進行することで、細胞が自分自身を「食べ尽くし」てしまい、細胞が死に至ると考えられている（次項を参照）。
飢餓状態になると栄養センサーであるTOR複合体1の活性が低下し、Atg13が速やかに脱リン酸化される。これによりAtg13はAtg1とAtg17に対する高い親和性を獲得し、Atg1複合体が形成されオートファジーが始動する[10]。
ヒトを含む高等生物の個体発生の過程では、いちど分裂によって生じた細胞が自発的に死んでいくことでさまざまな形態形成が進む。このときに見られる細胞死は、その生物が遺伝情報にあらかじめ含んでいる、すなわちプログラムされていた、という意味からプログラム細胞死(Programmed cell death)と呼ばれる。
このプログラム細胞死は、そのときの細胞形態上の違いから、1型はアポトーシス、2型はオートファジーを伴う細胞死、3型はネクローシス型プログラム細胞死、の3型に分類されている。
オートファジーを伴う細胞死は、この2型プログラム細胞死である。オートファジーに関連する遺伝子の働きを抑制すると個体発生の過程で異常が起こることが明らかになっており、オートファジーを伴うプログラム細胞死が生物の発生過程において重要であることが判っている。
オートファジーの機構とよく似たものの一つに、マクロファージや好中球などの食細胞が行う貪食（どんしょく、ファゴサイトーシス）がある。これらの食細胞は、体内に侵入した異物や病原体をエンドサイトーシスによって、ファゴソームという小胞に包んだ形で取り込む。ファゴソームは細胞質内で、オートファゴソームと同様にリソソームと膜融合してファゴリソソームとなり小胞内部の異物を消化分解する。
しかしリステリア属の細菌は、内部からファゴソームを破壊して貪食の機構から逃れ、細胞質内に感染（細胞内感染）しようとする。オートファジーはこのようにして細胞質内に逃れた細菌を、再び捕えなおして分解する働きも果たしており、この働きによって生体を微生物による感染から守っていると考えられている。
植物にもオートファジー現象が起きる。酵母と同様にオートファゴソームが液胞と融合し、細胞質成分を分解する。オートファジーを起こせないATGノックアウト植物が作成されている。オートファジー不能植物は生育可能であるが、正常な植物より花が咲くのが早く、老化が促進される。この傾向は飢餓状態でより顕著となる。従って、植物におけるオートファジーは必須ではないが、タンパク質代謝の重要な機能を担っていると推測される[19]。
昆虫の変態時にもオートファジーが起きている。オートファジー遺伝子欠損ショウジョウバエは変態時に唾液腺や中腸の消失が遅れると報告されている[20]。
1974年、オートファジーの命名者クリスチャン・ド・デューブは、リソソームなどの発見によりロックフェラー大学の同僚であったジョージ・エミール・パラーデ、アルベルト・クラウデとともにノーベル生理学・医学賞を受賞した[2]。 東京工業大学の栄誉教授・大隅良典が、オートファジーの仕組みを解明した功績から2016年のノーベル生理学・医学賞を受賞した[21]
トリコ - 島袋光年による日本の少年漫画。作中、主人公たちが自滅の可能性と引き換えに莫大なエネルギーを得る手段として、パワーアップ技のような扱いで利用している。その解説が「極めて正確」として、大阪大学大学院の吉森研究室のウェブサイトなどでも紹介されている[22][23]。なお2016年のノーベル生理学・医学賞受賞を記念して、集英社の公式スマホアプリ『少年ジャンプ＋』にて公開中の同作品のうち、作中で初めてオートファジーを取り上げた第48～50話を、2016年10月5日から12日までの期間限定で無料公開した[24][25][26]。
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- 東京大学医学系研究科 水島昇研究室 - CSTジャパン - 株式会社医学生物学研究所 Check date values in: |date= (help); URL–wikilink conflict (help)