シグナル伝達と受容体

シグナル伝達とは、細胞が外部シグナルを検出し、それを細胞内応答に変換する一連のプロセスです。シグナル分子が細胞表面または細胞内の受容体に結合すると、分子イベントのカスケードが開始され、情報が中継、増幅、統合された後、細胞が応答します。受容体はこの変換の入り口であり、細胞が特定のシグナルに反応する特異性を与えます。

Definition

シグナル伝達とは、特定の受容体によって検出された細胞外または細胞内刺激が、細胞応答を生み出す一連の細胞内生化学的イベントに変換されることです。

Scope

本項目では、主要な受容体クラス（Gタンパク質共役型受容体、受容体型チロシンキナーゼ、細胞内受容体）、シグナルを伝播する中継成分（Gタンパク質、プロテインキナーゼおよびホスファターゼ、低分子GTPase）、ならびに増幅、統合、終結の原理について扱います。シグナル伝達は細胞生物学における参照トピックとして扱われ、臨床的ガイダンスではありません。

Core questions

• 受容体はどのようにしてそのシグナルを分子背景から区別するのでしょうか？
• 表面での結合イベントはどのようにして細胞質および核に中継されるのでしょうか？
• シグナルはどのように増幅されながらも特異性を保つのでしょうか？
• シグナル伝達カスケードはどのようにして停止され、リセットされるのでしょうか？

Key concepts

• リガンド-受容体結合と特異性
• Gタンパク質共役型受容体
• 受容体型チロシンキナーゼ
• 細胞内（核内）受容体
• プロテインキナーゼカスケード
• MAPキナーゼシグナル伝達
• シグナルの増幅、統合、終結

Key theories

シグナル伝達スイッチとしての可逆的タンパク質リン酸化

プロテインキナーゼはリン酸基を付加し、ホスファターゼはリン酸基を除去することで、シグナル伝達タンパク質のオン/オフを切り替える対立するスイッチとして機能します。この可逆的な共有結合修飾は、シグナルを伝播し調節するための中心的なメカニズムです。

GTPase分子スイッチ

ヘテロ三量体Gタンパク質と低分子Gタンパク質は、活性なGTP結合状態と不活性なGDP結合状態の間を循環し、活性化を促進したりGTP加水分解を加速したりする調節因子によって、下流のシグナル伝達のタイミングを制御します。

Mechanisms

シグナル分子は高い特異性で受容体に結合します。細胞表面受容体は主要なクラスに分類されます。Gタンパク質共役型受容体は、分子スイッチとして機能するヘテロ三量体Gタンパク質を活性化します。受容体型チロシンキナーゼは二量体化し、自己リン酸化して下流のエフェクターをリクルートします。脂溶性シグナルは膜を通過して細胞内受容体に到達し、遺伝子発現に作用します。下流では、シグナルは主に可逆的なタンパク質リン酸化によって伝播されます。この過程では、キナーゼとホスファターゼが標的タンパク質のオン/オフを切り替え、低分子GTPaseがGTP結合状態とGDP結合状態の間を循環します。MAPキナーゼ経路のような多段階カスケードはシグナルを増幅し、経路を決定しますが、同じアーキテクチャは複数の入力の統合も可能にします。エンドサイトーシスによる受容体の内在化は、シグナル伝達を輸送と結びつけ、応答の終結または再方向付けを助けます。ホスファターゼ活性、GTP加水分解、受容体のダウンレギュレーションによる終結は、次のシグナルのためにシステムをリセットします。

Clinical relevance

シグナル伝達は、細胞がホルモン、増殖因子、神経伝達物質にどのように応答するかを制御しており、シグナル伝達の変化は多くの疾患プロセスの理解の中心であるため、受容体やシグナル伝達酵素は創薬標的として広く研究されています。本項目はシグナル伝達メカニズムを参照のために記述するものであり、診断や治療の根拠となるものではありません。

History

受容体概念と、20世紀半ばにおけるセカンドメッセンジャーとしてのサイクリックAMPの発見は、表面シグナルが細胞内部に中継されることを確立しました。その後の数十年で、主要な受容体ファミリー、Gタンパク質とGTPaseスイッチの役割、そして可逆的タンパク質リン酸化の中心的な位置が解明され、MAPキナーゼ経路のようなキナーゼカスケードが組織化の枠組みとなりました。より最近の研究では、シグナル伝達と膜輸送が統合され、エンドサイトーシスがシグナルの持続時間と局在を形成することが示されました。

Key figures

• Tony Hunter
• Elliott M. Ross
• Mark von Zastrow

Seminal works

• hunter-1995
• ross-wilkie-2000

Frequently asked questions

細胞シグナル伝達における受容体とは何ですか？

受容体とは、特定のシグナル分子に結合し、結合すると細胞内応答を開始するタンパク質です。受容体は、シグナルが膜を通過できるかどうかに応じて、細胞膜内または細胞内に存在することがあります。

細胞内でシグナルはどのように増幅されますか？

活性化された各受容体は多くの下流分子をトリガーすることができ、多段階のキナーゼカスケードとセカンドメッセンジャーが効果を増幅するため、少数の結合イベントが大きな細胞応答を生み出すことができます。