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ピノサイトーシスは細胞が外部から細胞外液とその中の小さな溶解分子（溶質）を取り込む過程です。このプロセスは、細胞が自らの膜を通して狭いチャネルを形成し、その後小胞に分離し（ピンチオフ）、エンドソームと融合して内容物が加水分解や分解を受ける方法で行われます。
この用語は、ギリシャ語の「pino」（飲む）と「cyto」（細胞）から派生しており、「細胞が飲む」という意味を持ちます。ピノサイトーシスは液相エンドサイトーシスとも呼ばれ、エンドサイトーシスの一形態に分類されます。エンドサイトーシスは、細胞が外部の物質を取り込んで膜結合小胞に封じ込める一連のプロセスを指します。この過程により、細胞は環境からの信号や栄養素を効率的に取り込み、その機能を維持することができます。
ピノサイトーシスとファゴサイトーシスの違い
ピノサイトーシスは細胞が液体とその中の溶解分子を細胞内に取り込む生物学的プロセスです。具体的には、細胞膜が狭いチャネルを形成し、その後小胞を形成して、エンドソームやリソソームと融合することにより、内容物を加水分解または分解します。この過程は「細胞の飲み込み」や「液性エンドサイトーシス」「液相エンドサイトーシス」とも呼ばれます。
ピノサイトーシスはエンドサイトーシスの一形態であり、エンドサイトーシスの他の形態にはファゴサイトーシスと受容体媒介性エンドサイトーシスがあります。これら3つはすべて細胞が外部の物質を取り込むプロセスですが、そのメカニズムと対象物に違いがあります。
ファゴサイトーシスは、細胞が比較的大きな固形物を取り込む過程であり、「巻き込んで飲み込む」と表現されることが多いです。主に白血球などの免疫細胞が行い、病原体や異物の排除に関与しています。
一方で、ピノサイトーシスは「細胞の飲む」と表現されることがあり、主に液体とその溶解された小さな分子を取り込むプロセスです。この方法では、細胞が小さな液体の滴を効率的に吸収し、栄養素の取得やシグナル伝達の調整に利用します。
この2つのプロセスは、細胞が外部からの物質をどのように取り込むか、そしてそれをどのように処理するかに基づいて区別されます。ファゴサイトーシスが主に大きな固形物をターゲットにしているのに対し、ピノサイトーシスは液体と小さな分子を主に対象とします。
ピノサイトーシスとファゴサイトーシスはどちらも細胞が物質を取り込むためにエネルギー（ATP）を消費する能動的なプロセスですが、その対象物、機能、および起こる細胞の種類には大きな違いがあります。
1. ピノサイトーシス：
– 対象物：主に細胞外液とその中に溶解している小さな分子。
– 粒子サイズ：ピノソームは非常に小さな粒子（0.1～0.2μm）を取り込む。
– 発生する細胞：ほとんど全ての種類の細胞で起こり得る。
– プロセスの特徴：液体やその溶質を継続的に取り込むため、一定のプロセスとされています。
2. ファゴサイトーシス：
– 対象物：主に大きな固体粒子、例えば細菌や細胞の残骸など。
– 粒子サイズ：ファゴソームは比較的大きな粒子（1～2μm以上）を取り込む。
– 発生する細胞：主に免疫系の細胞（マクロファージ、好中球、樹状細胞など）によって行われる。
– プロセスの特徴：特定の刺激（例えば抗原提示）によってトリガーされ、仮足を形成して物質を「巻き込む」形で取り込む。
ピノサイトーシスでは主に小さい溶解性の物質が対象であり、エンドサイトーシスの通常のプロセスとして常に行われています。一方で、ファゴサイトーシスはより大きな粒子を取り込むための特別な機構であり、免疫応答の一部として、病原体を除去するために免疫細胞によって実行されます。両プロセスは細胞の生存と機能維持にとって重要ですが、それぞれ異なる生物学的役割を果たしています。
ピノサイトーシスと受容体を介したエンドサイトーシスの違い
ピノサイトーシスと受容体を介したエンドサイトーシス（受容体媒介エンドサイトーシス）は、どちらも細胞が外部の物質を取り込むエンドサイトーシスの一形態ですが、そのメカニズムと対象に違いがあります。
1. ピノサイトーシス：
– 一般的な特徴：ピノサイトーシスは非特異的な取り込みであり、細胞外液とその中の溶解分子を indiscriminately に細胞内に取り込みます。このプロセスは「細胞の飲む」と表現され、通常、特定のリガンドの結合に依存しないため、細胞は外部環境から液体を一様に吸収します。
– 小胞の形成：ピノサイトーシスでは、ピノソームと呼ばれる小胞が形成され、これは液体で満たされます。
2. 受容体媒介エンドサイトーシス：
– 一般的な特徴：このプロセスは特定の分子（リガンド）が細胞表面の受容体に結合することで起こります。リガンドと受容体の特異的な相互作用により、細胞は特定の物質を選択的に取り込むことができ、より効率的に細胞のニーズに応じた物質を内部に取り込むことが可能です。
– 小胞の形成：受容体とリガンドの複合体はクラスリング化され、エンドサイトーシスによって細胞内に取り込まれます。これにより、受容体媒介エンドサイトーシスによる小胞が形成されます。
この二つの違いは、ピノサイトーシスが非特異的な液体の吸収であるのに対し、受容体媒介エンドサイトーシスは特定の物質の選択的な取り込みを行う点にあります。受容体媒介エンドサイトーシスは、よりターゲットを絞った取り込みを可能にし、細胞が特定の生理的プロセスに応じて必要な物質を効率的に取得することを助けます。また、ピノサイトーシスがより広範な取り込みを示す一方で、受容体媒介エンドサイトーシスはピノサイトーシスに含まれるとされることもありますが、これは分類の仕方によって異なる場合があります。
ピノサイトーシスは能動的か受動的か？
ピノサイトーシスは明確に能動的輸送の一形態です。このプロセスはエネルギーを必要とし、細胞が自身のエネルギー源であるATPを消費して行います。受動輸送は濃度勾配に基づいて自然に発生する拡散のプロセスですが、ピノサイトーシスでは細胞が積極的に細胞外液を取り込むための構造を形成し、エネルギーを使ってそのプロセスを推進します。
ピノサイトーシスは特異的なリガンドや分子に反応して起こるわけではなく、細胞が周囲の液体を「飲み込む」際には、その液体に含まれるさまざまな物質が非選択的に取り込まれます。この非特異性にもかかわらず、エネルギーを使用する点で能動的輸送として分類されます。細胞はこのプロセスを通じて、必要な栄養素やシグナル分子を効率的に取り込み、また細胞の内部環境を調整するために不可欠な役割を果たします。
ピノサイトーシスのステップ
細胞膜は、その構造と機能において非常に複雑な半透膜です。細胞膜を構成するさまざまな脂質、脂肪酸、およびタンパク質は、特定の物質の出入りを制御する役割を担っています。これにはチャンネルやキャリアーなどのタンパク質が含まれ、これらは特定のイオンや分子の選択的な拡散を助けるために細胞膜に組み込まれています。
ピノサイトーシスによる小胞の形成プロセスは、以下の手順に従います：
1. 静電的な相互作用：細胞膜上の荷電部分（通常は負の電荷を帯びる）と溶液中の正の電荷を持つペプチドやタンパク質などの荷電物質が静電的に引き付けられます。
2. 膜の変形：この静電的な相互作用が、膜の局所的な変形を引き起こします。膜は荷電物質を包み込むように変形し、液体を取り囲むように凹みます。
3. 小胞の形成とピンチオフ：膜がさらに変形し続けると、最終的には自己との接触点を持つまでカールし、その結果、膜が完全に閉じて小胞が形成されます。この過程では、細胞外液と溶質が含まれた小胞が「ピンチオフ」されて細胞質内に取り込まれます。
4. 輸送と処理：形成されたピノサイトーシス小胞は、さらに細胞内で処理されるためにエンドソームやリソソームと融合する可能性があります。ここで、取り込まれた物質は分解されたり、細胞内で再利用されたりします。
このように、ピノサイトーシスは細胞が液体とその中に溶けている溶質を能動的に取り込む複雑なプロセスであり、細胞の栄養摂取やシグナル伝達の調節に重要な役割を果たしています。
- 1. 細胞外液中の分子が細胞膜に結合し、ピノサイトーシスのプロセスが始まる。
- 2. 細胞膜は摂取されるべき分子を含む液体の周りにひだを作る。
- 3. 細胞膜が内側に折り返され、袋状になる。
- 4. この袋は細胞膜からつまみ出され、細胞内の細胞質に移動することができる。
ピノサイトーシスの役割
ピノサイトーシスは細胞にとって多くの基本的な機能を果たすプロセスです。主に、細胞外液を細胞内に取り込むことにより、細胞が必要とする栄養素やその他の溶解分子を吸収します。このプロセスを通じて、細胞は環境からのさまざまな物質を効率的に取り込むことができます。
1. 栄養素の取り込み：
– ピノサイトーシスは、特に水溶性の小分子やイオンなど、細胞が成長や維持に必要な栄養素を取り込むのに役立ちます。
2. シグナル伝達：
– 細胞外からのシグナル分子もピノサイトーシスによって取り込まれることがあります。これにより、細胞は外部の環境の変化に対して適切に反応することが可能になります。
3. 老廃物の除去：
– 細胞はピノサイトーシスを利用して、細胞外環境から不要な物質や老廃物を取り除くことができます。これにより、細胞の内部環境が清潔に保たれ、細胞機能が正常に維持されます。
ピノサイトーシスはこれらの重要な機能を通じて、細胞の生存、成長、および適応に不可欠な役割を果たします。細胞が自己の内部環境を調節し、外部からの情報を取り込むための基本的な手段の一つとして機能するのです。
ピノサイトーシスの種類
取り込まれる分子の大きさによる分類
ピノサイトーシスは、取り込まれる分子の大きさによって分けられます。
マイクロピノサイトーシス
マイクロピノサイトーシスは、細胞が特に小さな分子や液体を取り込む際に形成される、直径が約0.1μmの小胞を通じて行われます。このプロセスには特定のタンパク質、例えばカベオリンが関与していることが一般的です。カベオリンを介したピノサイトーシスはマイクロピノサイトーシスの一つの形式であり、カベオリンが豊富な特殊なドメインを形成し、これが細胞膜の特定部分の小胞化を促進します。
マクロピノサイトーシス
対照的に、マクロピノサイトーシスはより大きな小胞（約0.5～5µm）を形成し、この過程は非選択的に細胞外液を取り込みます。このプロセスでは、アクチンというタンパク質が細胞膜の突起やフリルの形成に重要な役割を果たし、これにより大きな小胞が形成されます。アクチンのダイナミクスは、細胞膜の形状を変化させ、拡大する小胞をサポートします。マクロピノサイトーシスは特に免疫細胞で見られることが多く、マクロファージなどの細胞が環境から広範囲の溶質を取り込み、必要に応じて免疫反応を引き起こす可溶性抗原を探し出すのに利用されます。
これらのプロセスは細胞が外部環境からの物質を取り込む方法として、それぞれ異なるサイズや種類の分子を対象としており、細胞の機能に応じて異なる役割を果たします。
作用機序に基づくピノサイトーシスの分類
ピノサイトーシスにはいくつかの異なる形態があり、その作用機序に基づいて分類されます。以下は主要なタイプです：
- マクロピノサイトーシス: 大規模な液体の取り込みが行われ、細胞膜がアクチン骨格の支援を受けて大きな突起を形成します。このプロセスは主に免疫細胞で観察され、細胞外液を広範囲に取り込みます。
- クラスリンを介したエンドサイトーシス（受容体を介したエンドサイトーシスとしても知られる）: 特定のリガンドが細胞表面の受容体に結合した後、クラスリンが細胞膜の周囲で重合を開始し、小胞を形成します。
- カベオラを介したエンドサイトーシス: カベオリンと呼ばれる特定のタンパク質が豊富な膜のドメインを利用して、小胞の形成を促進します。
- クラスリン非依存／カベオラ非依存エンドサイトーシス（Clathrin-Independent/Caveolae-Independent Endocytosis): これらは他のエンドサイトーシスの機構に依存せず、さまざまなタンパク質が関与することで小胞を形成します。
クラスリン介在性ピノサイトーシス（Clathrin-mediated pinocytosis)
このエンドサイトーシスの形態では、多くの膜結合分子やホルモン、代謝物、タンパク質などの可溶性分子が細胞内に取り込まれます。細胞外液中の高分子が細胞表面の膜にある受容体に結合すると、クラスリンはアダプター分子の助けを借りて細胞膜の周囲で重合を始めます。クラスリン分子は、三脚構造を持つ「クラスリン・トリスケリオン」と呼ばれる構造で、頂点に重鎖と軽鎖があり、それぞれの脚の末端には「膝」と球状ドメインがあります。これにより、リガンド受容体複合体を包み込み、細胞内へと運ばれる小胞が形成されます。
このような詳細な分類と説明は、ピノサイトーシスが細胞機能においてどのように多様で特定のタスクに適応しているかを理解するのに役立ちます。
クラスリンを介したピノサイトーシスの詳細はこちらをご覧ください。
カベオラを介するピノサイトーシス
カベオラを介したピノサイトーシスは、特定の細胞タイプで顕著に行われる細胞輸送メカニズムです。このプロセスは、脂肪細胞や内皮細胞などで起こり、カベオラと呼ばれる特有のフラスコ状の細胞膜構造を利用して、特定の分子を細胞内に取り込みます。カベオラ構造は、脂質、スフィンゴ糖脂質、そしてカベオリンやカビンと呼ばれるタンパク質から構成されています。
● カベオリンとカビンのタンパク質
– カベオリン: カベオラ形成に必須なタンパク質で、CAV-1、CAV-2、CAV-3という3つのタイプが存在します。CAV-1とCAV-2は一般的な細胞タイプに広く分布していますが、CAV-3は主に筋肉細胞に特異的です。
– カビン: カビンタンパク質にはcavin1 (PTRF)、cavin2 (SDPR)、cavin3 (PRKCDBP)、cavin4 (MURC)があり、特にcavin4は筋肉に特異的です。これらはカベオラの形成と機能に関与しています。
● カベオラピットの構造と機能
カベオラピットは、細胞膜に豊富なタンパク質と脂質が含まれ、通常は細胞膜に固定されていますが、受容体が活性化されると動き始め、芽生えた後に細胞膜から分離して小胞を形成することができます。これらの小胞は、初期エンドソームに移動したり、再び細胞膜に戻ることもあります。
ダイナミンという酵素は、この過程でCAV-1と相互作用し、小胞の「ネック」を封鎖することにより、小胞の分離を助けます。このようなカベオラの動的な性質は、細胞内の物質輸送だけでなく、特定の病原体やウイルスが細胞内に侵入する際の経路としても利用されます。たとえば、シミアンウイルス40（SV40）はカベオラを介して細胞に侵入し、エンドソーム・リソソーム経路を回避します。また、インフルエンザウイルスや一部の細菌毒素も、ピノサイトーシスを利用して細胞に侵入することが知られています。
カベオラを介したピノサイトーシスは、これらの特徴により、細胞の栄養摂取やシグナル伝達、病原体防御に重要な役割を果たしています。
クラスリンとカベオラに依存しないピノサイトーシス
このタイプのピノサイトーシスのプロセスは、受容体や他の物質的な刺激とは無関係に作動する。小胞の形成にコートタンパク質を必要としない。小胞の形成には、アクチンやその他の関連タンパク質が不可欠である。カーゴは初期エンドソームに送られ、後期エンドソームの経路をたどってライソゾームに到達することができる。また、ゴルジ網に送られたり、リサイクルのために細胞膜に戻されたりすることもある。
クラスリンとカベオラに依存しないピノサイトーシス
クラスリンとカベオラに依存しないピノサイトーシスは、その名の通り、クラスリンやカベオラといったコートタンパク質を必要とせず、細胞のピノサイトーシス過程において異なるメカニズムを利用します。このタイプのピノサイトーシスは、特定の受容体や外部からの物質的な刺激に依存せずに自発的に行われるため、「無差別」または「非選択的」な物質の取り込みとして特徴付けられます。
このプロセスにおいて、小胞の形成はアクチンなどの細胞骨格成分に大きく依存します。アクチンは細胞膜のダイナミックな変形を支えるため、小胞の形成と運搬に重要な役割を果たします。この過程で形成される小胞は、さまざまなタンパク質や分子を含むことができ、これらは最終的に初期エンドソームに送られます。
一度初期エンドソームに取り込まれたカーゴは、さらに複雑な運命をたどることがあります。一部は後期エンドソームに進み、最終的にはライソゾームで分解されます。また、一部のカーゴはゴルジ体に送られることがあり、そこでさらに修飾を受けたり、他の目的地へと送り出されたりします。更に、一部はリサイクルのために再び細胞膜に戻されることがあります。
このように、クラスリンとカベオラに依存しないピノサイトーシスは、細胞が環境からの多様な物質を効率的に取り込み、必要に応じて異なる細胞内部位に輸送するための柔軟な手段を提供します。このプロセスは、細胞の栄養摂取、シグナル伝達、そして細胞内の物質の分配とリサイクルに重要な役割を果たしています。
プロフィール
この記事の筆者：仲田洋美（医師）
