細胞溶解素

細胞溶解素（さいぼうようかいそ）

細胞溶解素は、微生物や植物、動物などによって産生・分泌される、特定の細胞に対して傷害を与え、多くの場合その溶解を引き起こす生体物質性の毒素です。その名称は標的となる細胞に由来することが多く、例えば赤血球を破壊するものは溶血素（Hemolysin）と呼ばれます。

中には、リステリア・モノサイトゲネスなどの病原体が宿主の免疫細胞に取り込まれた際、その細胞内小器官（ファゴソーム）の膜を破壊し、細胞質へと逃れて増殖するために利用するものもあります。

歴史と背景

「細胞溶解素」あるいは「細胞溶解毒素」という用語は、細胞膜に損傷を与える毒素（Membrane Damaging Toxin, MDT）を指す言葉として、Alan Bernheimerによって最初に提案されました。初期の発見が赤血球への溶解作用を示すもの（溶血素）だったため、MDTはしばしば溶血素と混同されましたが、1960年代になると赤血球以外の細胞（例えば白血球）にも作用するMDTが見つかり、それらを溶血素と区別するために「細胞溶解素」という新しい用語が提唱されることになりました。

細菌が産生するタンパク質毒素のうち、3分の1以上を細胞溶解素が占めると考えられています。中にはヒトに対して非常に強い毒性を持つものも存在します。例えば、ウェルシュ菌やブドウ球菌（Staphylococcus spp.）など、多様なグラム陽性菌やグラム陰性菌が細胞溶解素を保持しています。

細胞溶解素については、様々なテーマで研究が進められています。1970年代以降、40以上の新規細胞溶解素が発見され、現在までに約70個のタンパク質の遺伝子構造が解明・公開されています。膜損傷の詳細なプロセスも精力的に研究されており、例えば、Rossjohnらは真核細胞に膜孔を形成するパーフリンゴリジンO（PFO）の結晶構造を明らかにし、詳細な膜チャネル形成モデルや膜挿入機構の研究が進められました。また、多くのグラム陰性菌が分泌するRTX毒素ファミリーの研究では、毒素が標的細胞の膜をどのように貫通し、挿入されるかのプロセスが解明されています。

分類

細胞溶解素は、いくつかの観点から分類されます。

チオール活性の有無による分類

チオール化合物によって活性化されるか否かで大きく二つに分けられます。

チオール活性を持つもの: 酵素によって可逆的に不活性化され、チオール化合物（システインやチオグリコール酸など）によって活性が回復します。コレステロールと結合することで活性が阻害される性質も持ちます。
非チオール活性を持つもの: ブドウ球菌α毒素、ブドウ球菌ロイコシジン、緑膿菌ロイコシジンなどがよく研究されています。

細胞障害機構による分類

細胞に与える傷害のメカニズムにより、主に三つのタイプに分けられます。

1. 真核細胞の脂質二重膜のリン脂質を分解するタイプ: ホスホリパーゼやスフィンゴミエリナーゼなどの酵素活性を持ち、膜を構成するリン脂質を加水分解します。ウェルシュ菌α毒素（ホスホリパーゼC）や黄色ブドウ球菌β毒素（スフィンゴミエリナーゼC）などが代表的です。ウェルシュ菌α毒素の分子メカニズムの研究は、細菌性タンパク質毒素研究の初期の重要な成果の一つとなりました。
2. 界面活性剤のように膜を攻撃するタイプ: 膜の疎水性領域に作用し、膜構造を乱します。Staphylococcus属細菌由来のδ毒素、Bacillus subtilis毒素、Pseudomonas aeruginosa由来の細胞溶解素などがこのタイプに含まれます。
3. 標的膜に膜孔を形成するタイプ: 細胞溶解素の中で最も大きなグループであり、膜孔形成毒素（Pore-Forming Toxin, PFT）とも呼ばれます。ウェルシュ菌のパーフリンゴリジンO、大腸菌の溶血素、リステリア・モノサイトゲネスのリステリオリシンOなどが例として挙げられます。標的となる膜は、一般的な細胞膜から、コレステロールを多く含む膜、食細胞の膜など、より特異的なものまで多様です。

膜孔形成細胞溶解素（PFC）

膜孔形成細胞溶解素（PFC）は、細胞膜に選択的なチャネルや孔を形成し、細胞死を引き起こす毒素です。これはすべての膜傷害性細胞溶解素の約65％を占めます。細菌だけでなく、真菌や植物など広範囲の生物によって産生されます。膜孔の構造は多様で、特定の大きさの分子のみを通過させるポリン様構造（例：黄色ブドウ球菌α溶血素）や、膜融合によって形成されるタイプ（Ca2+によって制御される小胞の膜融合など）があります。

膜孔形成過程

PFCによる膜孔形成は、通常、以下の3つの段階を経て進行します。

1. 産生と放出: 細胞溶解素は水溶性の単量体として微生物によって産生されます。大腸菌のように、自身が産生した細胞溶解素を菌体外へ放出するために、まず自身の細胞膜に孔を開ける必要がある種もいます。産生された細胞溶解素は、産生微生物自身にとっても有害である場合があり、これを防ぐために、微生物は毒素に結合する免疫タンパク質を同時に産生することがあります。
2. 標的膜への結合とオリゴマー化: 細胞溶解素は標的細胞膜上の特定の受容体と結合することで接着します。膜上で、複数の単量体が集合し、オリゴマーのクラスターを形成します。
3. 膜貫通と膜孔形成: 形成されたオリゴマーのクラスターが標的細胞膜を貫通し、膜孔を形成します。膜孔のサイズは、毒素の種類によって異なり、1-2ナノメートル（nm）程度の比較的小さなものから、25-30nmと大きなものまで様々です。

PFCの分類（二次構造による）

PFCは、膜貫通部分の二次構造によって、主にαヘリックス型のα-PFTとβシート型のβ-PFTに分類されます。大半はβ-PFTです。

α-PFT: サルモネラ菌由来の細胞溶解素Aなどが含まれ、膜孔形成時にαヘリックスの束を細胞膜に挿入します。
β-PFT: βシート構造を束ねて、細胞膜を貫通するβバレル構造を形成します。βシートに富み、膜相互作用領域に疎水性残基と親水性残基が交互に現れる配列を持つのが特徴です。

重要性

細胞溶解素による細胞への傷害は、特にPFCの場合、膜孔を通してイオンなどの流入・流出バランスが崩れることによって引き起こされます。これにより細胞が膨張し、最終的に溶解します。標的細胞膜が破壊されると、細胞溶解素を産生した細菌は、細胞内にあった鉄分やサイトカインなどを利用できるようになり、病原性の発現に繋がることがあります。

コレステロール依存性細胞溶解素（CDC）

コレステロール依存性細胞溶解素（Cholesterol-dependent cytolysin, CDC）またはコレステロール結合性細胞溶解素（Cholesterol-binding cytolysin, CBC）は、細胞膜上のコレステロールを標的として結合し、膜孔を形成することで細胞を破壊するPFTの一種です。多くのグラム陽性菌に存在し、その膜孔形成には標的膜上にコレステロールが存在することが必須です。CDCによって形成される孔は25〜30nmと比較的大型です。ただし、インターメディリシンのように、細胞への接着段階ではタンパク質受容体が必要で、その後の膜孔形成段階でコレステロールが必要となるケースもあります。水溶性の単量体はオリゴマー化してpre-pore錯体と呼ばれる中間体を形成した後、βバレル構造となって膜を貫通します。

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