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研究用

細胞死の違いがわかる!経路、特徴、カスパーゼを解説アポトーシスとネクローシス関連抗体

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アポトーシス(apoptosis)およびネクローシス(necrosis)を含む細胞死の違いについて解説します。アポトーシスシグナル経路、特徴、関連するタンパク質、カスパーゼについてもご紹介します。

背景

■ 細胞死とは?

細胞死(cell death)は、多細胞生物において自然に起こる現象です。細胞は内的刺激と外的刺激によって死滅します。これまでに多様な細胞死の事象が同定されています[PMID: 29362479 外部リンク]。

細胞死は、大きく分けて2つのグループに分類されます。一つ目は「プログラム/制御された細胞死(programmed cell death/regulated cell death:PCD/RCD)」と呼ばれる分類です。制御された細胞死は、主にアポトーシス(apoptosis)のことを指すことが多い用語ですが、オートファジー機構に依存する細胞死(オートファジー性細胞死:autophagy-dependent cell death)や「制御されたネクローシス」(ネクロプトーシス等)も含みます。二つ目は「偶発的な/事故的細胞死(accidental cell death:ACD)」と呼ばれます。事故的細胞死は、感染や損傷等の非生理的状態による細胞死であり、ネクローシス(necrosis、壊死)として知られます。

アポトーシスとネクローシスの違い
図1. ネクローシスとアポトーシスの違い

アポトーシス(apoptosis)について

■ アポトーシスとは?

アポトーシス(apoptosis)は、プログラム細胞死(PCD)の最も一般的な形態です。アポトーシスは、様々な物理的、化学的、および生物学的因子を介して誘発され、アポトーシスにおける細胞応答は厳密に調節されています。細胞内成分の制御された分解は、アポトーシス過程で活性化されるプロテアーゼファミリーである、カスパーゼによって調節されています。健康な細胞では、カスパーゼは不活性型のプロ酵素(proenzyme、酵素前駆体)として存在します。アポトーシスシグナル伝達はカスパーゼカスケード(カスパーゼ-2、-8、-9、10:イニシエーターカスパーゼと呼ばれる)を活性化します。イニシエーターカスパーゼは、次に下流のエフェクターカスパーゼ(カスパーゼ-3、-6、-7)を切断し、活性化します。エフェクターカスパーゼは、標的細胞タンパク質を切断してアポトーシスを実行します。アポトーシスを開始する刺激には、内因性と外因性のものがあります。内因性の刺激には、例えば、DNA損傷、小胞体ストレス、ROSレベルの増加、有糸分裂中の細胞不良が含まれます。外因性の刺激は、細胞膜の受容体を介して細胞によって検出されるものを指します。

■ 内因性および外因性アポトーシスシグナル経路

内因性アポトーシス(intrinsic apoptosis)は、ミトコンドリア関連BCL-2ファミリーに属するタンパク質である、BAX(BCL2-associated X protein)およびBAK(BCL2 antagonist/killer)によって媒介されます。BAKは、ミトコンドリア外膜の膜貫通タンパク質です。アポトーシスが誘導されると、BAXはコンホメーションの変化を起こします。これによって膜貫通ドメインが露出し、ミトコンドリア外膜にBAXが挿入されます。BAX-BAKヘテロ二量体は、ミトコンドリア孔を形成し、カスパーゼを活性化できるチトクロームc(cytochrome c)やDIABLO(diablo IAP-binding mitochondrial protein)タンパク質等、ミトコンドリアタンパク質を細胞質に放出します。

外因性アポトーシス(extrinsic apoptosis)は、外部から誘導されるアポトーシスであり、2つの主要な受容体タイプが関係します。一つ目は、細胞死受容体(デスレセプター、death receptor)と呼ばれ、TNF受容体およびFas受容体等が知れています。これらは、それぞれの細胞外リガンド(TNF-αおよびFasリガンド:FasL)と結合します。これは、受容体の活性化と会合による複合体形成を促し、細胞内カスパーゼの活性化を誘導します。もう一方は、依存性受容体(dependence receptor)と呼ばれ、DCCやPTCH1等が知られています。これは、他のアポトーシス受容体と全く逆の感知機構に依存しています。依存性受容体は、生理的条件下では栄養因子(trophic factor)に応答し、抗アポトーシス刺激として作用します。しかしながら、そのリガンドが細胞外空間であるレベル以下に低下すると、リガンドと結合していない受容体はアポトーシス反応を引き起こします。

アポトーシス経路

■ アポトーシス過程における変化

アポトーシスとは、有意な細胞形態変化に反映されます(表1)。初期段階では、アポトーシスを起こした細胞は、細胞との接触を喪失し、形を変えます。また、クロマチンは核内で凝縮し、核膜に向かって移動します。核の凝縮(核濃縮、pyknosis/karyopyknosis)はDNAの分解を開始します。水の喪失は、他の細胞小器官の形態学的変化をほとんど、または全く伴わずに、顕著な細胞収縮および細胞膜でのブレブ形成(blebbing/ブレビング、水泡形成、水泡状突起形成)を引き起こします。細胞膜の内層(細胞膜の細胞質側、inner layer/inner membrane)だけに存在する脂質であるホスファチジルセリンは、細胞膜表面である外層(細胞膜の外側、outer layer/outer membrane)に露出します。核と細胞質の断片は、アポトーシス小体(apoptotic bodies、断片化した核が細胞膜に包まれた凝集体)になります。そして、放出された細胞内プロテアーゼは、細胞骨格、細胞膜、およびタンパク質の崩壊を引き起こします。隣接するマクロファージは、アポトーシス小体を認識し、飲み込み、消化して(マクロファージによる貪食)、プロセスは完了します。

■ オートファジー性細胞死について - 稀なタイプのプログラム細胞死(PCD)

オートファジー(autophagy)とは、栄養ストレス時の細胞内成分の自然分解プロセスです。マクロオートファジー(macro-autophagy)の場合、オートファゴソーム(autophagosome)とよばれる二重膜小胞の形成が関与します。オートファゴソームは、リソソームと融合してオートリソソーム(autolysosome)を形成します。この過程は、mTOR(mechanistic target of rapamycin、機械的ラパマイシン標的タンパク質)およびAtg関連遺伝子(Autophagy related gene、オートファジー関連遺伝子)にコードされたタンパク質によって開始されます(図2-3)。

オートファジーは、飢餓状態の細胞に対して、細胞内で必須では無い細胞成分を消化して得られる栄養を供給することによって、その細胞の生存を促進すると考えられています。しかしながら、マクロオートファジーは、プログラム細胞死の経路の一つにもなり得ることが見出されています[PMID: 22052193 外部リンク]。オートファジー性細胞死は、プログラム細胞死において、アポトーシスほど一般的ではありませんが、発生過程の調節に何らかの役割を果たしてることが示唆されています。最もよく知られているのは、キイロショウジョウバエの幼虫-蛹移行期における特定の幼虫器官-唾液腺および中腸の除去です[PMID: 18083103 外部リンク19818615 外部リンク]。また、オートファジー性細胞死は、in vitroでの成体海馬神経細胞培養物で、インスリン除去に応答して観察されました[PMID: 18653772 外部リンク]。オートファジー性細胞死の主な特徴は、細胞質の広範な空胞化(autophagic vacuolization)です。一方で、アポトーシスにみられるようなクロマチン構成の変化は認められません(表1)。また、細胞残滓(cell remnant、細胞レムナント)は、アポトーシスで観察されるようなマクロファージ貪食で除去されません。オートファジー機構は、オートファジー性細胞死をもたらしますが、抑制因子またはAtgタンパク質(例えば、Atg1、Atg5、Atg7)の枯渇によって阻害され得ます。

まとめると、オートファジー性細胞死とは、細胞内成分を分解するオートファジー機構、またはオートファジーを構成する要素に依存して遂行されるプログラム細胞死の形式です。多くの場合において、オートファジーは、ストレスに応答する細胞の生存維持に働き、細胞保護的な役割を果たすと考えられていますが、一部の発生過程等における細胞死でも必要とされます。

製品フォーカス | ATG5 抗体

ATG5は、オートファジーに必要とされる因子です。オートファゴソームの形成には、Atg12がAtg5に共有結合し、オートファゴソーム小胞を標的とするユビキチン様結合システムが関与しています。

ATG5
品番 10181-2-AP
タイプ ウサギポリクローナル
適用 ELISA、IHC(免疫組織化学)、IF(免疫蛍光染色)、FC(フローサイトメトリー)、WB(ウェスタンブロット)
交差種 ヒト、マウス、ラット、ブタ、grouper
1:200の希釈倍率でATG5 抗体(品番:10181-2-AP)を使用したパラフィン包埋ヒト大腸癌組織スライドの免疫組織化学(40倍レンズ下)

図2. 1:200の希釈倍率でATG5 抗体(品番:10181-2-AP)を使用したパラフィン包埋ヒト大腸癌組織スライドの免疫組織化学(40倍レンズ下)

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製品フォーカス | ULK1 抗体

ULK1(Serine/threonine-protein kinase ULK1:unc-51 like autophagy activating kinase 1)は、オートファゴソーム形成に必要とされます。ULK1は、Atg13およびFIP200(focal adhesion kinase (FAK) family interacting protein、RB1CC1:RB1-inducible coiled-coil protein 1)と安定な複合体を形成します。

ULK1
品番 20986-1-AP
タイプ ウサギポリクローナル
適用 ELISA、IHC(免疫組織化学)、WB(ウェスタンブロット)
交差種 ヒト、マウス、ラット
1:200の希釈倍率でULK1 抗体(品番:20986-1-AP)を使用したパラフィン包埋ヒト骨格筋組織スライドの免疫組織化学(40倍レンズ下)

図3. 1:200の希釈倍率でULK1 抗体(品番:20986-1-AP)を使用したパラフィン包埋ヒト骨格筋組織スライドの免疫組織化学(40倍レンズ下)

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ネクローシス(necrosis)について

■ ネクローシスとは?

ネクローシス(necrosis、壊死)とは、細胞傷害の形態であり、機械的傷害や化学剤、病原体等の内部または外部のストレスに起因する「制御されない細胞死」と定義されます。

■ ネクローシス過程における変化

ネクローシスのプロセスは、通常迅速であり、浸透圧の喪失による細胞の膨張および破裂(オンコーシス、膨化死)を引き起こします(表1)。細胞膜の完全性が失われると、細胞内容物が細胞外へ漏出し、炎症反応が引き起こされます。細胞の崩壊に先立って、小胞体やミトコンドリアの膨張、ゴルジ装置の崩壊等、細胞小器官の破壊を含む一連の形態変化を生じます。細胞外マトリックスからのカルシウムイオンの流入は、DNAを断片化する細胞内ヌクレアーゼを活性化します。また、遊離したリソソーム加水分解酵素は、核酸とタンパク質の分解に寄与します。崩壊して生じた産物は、死んだ細胞の残滓物を貪食する、白血球、リンパ球、マクロファージを活性化します。

■ ネクロトーシス - 制御されたネクローシス

ネクロトーシス(necroptosis)は、ネクローシス様の表現型を示す、制御された細胞死の一形態です。インターフェロン、デスリガンド、Toll様受容体などのストレス刺激に反応して引き起こされます[PMID: 19524512 外部リンク19524513 外部リンク19498109 外部リンク]。活性化は、セリン-スレオニンキナーゼであるRIP3受容体(Receptor interacting protein 3、RIPK3)を介して行われます(図4)。ネクロトーシスの初期段階にある細胞は、RIP3のリン酸化と、一般的にはネクロソーム(necrosome)として知られるRIP1とβアミロイド様タンパク質(β-amyloid-like protein)複合体の形成によって特徴づけられます。リン酸化されたRIP3は、MLKLのリン酸化によって下流で作用し(図5)、未だ完全には解明されていない機序でネクローシスを引き起こすことが示唆されています[PMID: 30131615 外部リンク]。

製品フォーカス | RIP3/RIPK3 抗体

RIPK3(Receptor-interacting serine/threonine-protein kinase 3/RIP3)は、RIP3とも呼ばれる、RIP(Receptor Interacting Protein)ファミリーのSer/Thrキナーゼです。RIPK3は、RIPを介してTNFR1シグナル伝達複合体に動員され、アポトーシス誘導およびNF-κB活性化を媒介することが示されています。また、RIPK3は、細胞死プロセスにおけるプログラム型のネクローシスであるネクロトーシスに不可欠であることが示されており、ネクロトーシスシグナル伝達の中心的分子として研究されています。

RIP3/RIPK3
品番 17563-1-AP
タイプ ウサギポリクローナル
適用 ELISA、IHC(免疫組織化学)、IF(免疫蛍光染色)、IP(免疫沈降)、WB(ウェスタンブロット)
交差種 ヒト、マウス
SW 1990細胞3000ugを用いたRIP3 抗体(品番:17563-1-AP、IP:3ug、検出:1:300)によるSW 1990細胞のウエスタンブロット。

図4. SW 1990細胞3000ugを用いたRIP3 抗体(品番:17563-1-AP、IP:3ug、検出:1:300)によるSW 1990細胞のウエスタンブロット。

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製品フォーカス | MLKL 抗体

MLKL(Mixed lineage kinase domain-like protein、混合系統キナーゼドメイン様)は、いわゆる偽キナーゼ(pseudokinase)であり、キナーゼ活性を示しません。MLKLは、TNF(tumor necrosis factor、腫瘍壊死因子)に誘導されるネクロトーシス(necroptosis)において、RIP3/RIPK3によってリン酸化されることで、重要な役割を果たします。

MLKL
品番 21066-1-AP
タイプ ウサギポリクローナル
適用 ELISA、IHC(免疫組織化学)、IF(免疫蛍光染色)、WB(ウェスタンブロット)
交差種 ヒト
希釈倍率1:50でMLKL抗体(品番:21066-1-AP)およびAlexa Fluor 488コンジュゲートAffiniPureヤギ抗ウサギIgG(H+L)を使用したHepG2細胞(-20 ℃エタノール固定)の免疫蛍光染色。

図5. 希釈倍率1:50でMLKL抗体(品番:21066-1-AP)およびAlexa Fluor 488コンジュゲートAffiniPureヤギ抗ウサギIgG(H+L)を使用したHepG2細胞(-20 ℃エタノール固定)の免疫蛍光染色。

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まとめ

細胞死の2つの主なタイプは、「プログラム細胞死/制御された細胞死」であるアポトーシス、および「事故的細胞死」であるネクローシスです。それらは、細胞死プロセスを開始する刺激、形態学的および生化学的変化、細胞が用いるシグナル伝達経路の点で異なります。

ネクローシスは、不可逆的な細胞傷害がもたらす外的要因によって引き起こされ、細胞膜の完全性の喪失および急速な死を伴い、しばしば免疫系の活性化をもたらします。対照的に、アポトーシスは、多くの内部および外部経路によって開始されます。それらは、よく制御された過程であり、細胞残滓の緩やかな代謝回転および隣接するマクロファージによる食作用をもたらします

表1. アポトーシス、オートファジー性細胞死、ネクローシスの生理学的イベント
  アポトーシス オートファジー性細胞死 ネクローシス
形態的変化(Morphological changes) 細胞 収縮と細胞間接触の喪失。隣接細胞はアポトーシス細胞を貪食する 細胞質の広範な空胞化 膨張。細胞溶解
細胞膜(Plasma membrane) 膜完全性を保ちながらblebbing/ブレビング、水泡形成、後期段階でのアポトーシス小体の形成 膜完全性の喪失 膜完全性の喪失、膜透過性の増加
細胞小器官(Organelles) 目に見える変化なし いくつかのケースでは、ゴルジ体と小胞体の拡大化が観察される 細胞の断片化
核(Nucleus) クロマチン凝縮、断片化 クロマチン凝縮無し クロマチンの凝縮と核の崩壊
ミトコンドリア(Mitochondrion) 潜在的な膜の変化、膨張 膨張が時々見られる 非機能的、膨潤および断片化
生化学的変化(Biochemical changes) DNA エンドヌクレアーゼによる特定の長さの断片への切断(DNA laddering)   ゲノムDNAのランダム分解
タンパク質 キナーゼの活性化:ホスファターゼ、カスパーゼ、ヌクレアーゼ オートファゴソームでの酵素分解 非特異的な分解
抗アポトーシスタンパク質(Anti-apoptotic proteins) Bcl-2ファミリータンパク質、アポトーシス阻害因子(IAP)、カスパーゼ阻害剤   場合によっては Bcl-2発現
エネルギー ATP-依存的 異化プロセス ATP-非依存的
組織応答(Tissue response)
  • 個々の細胞に制限されている
  • 生理的変化によって誘発される(例、Ca2+、フリーラジカル、ホルモン、毒素、成長因子の枯渇)
  • 通常炎症反応なし
  • TORシグナル伝達およびAtg遺伝子応答を介して誘導

  • ネクローシスはしばしば単一の細胞ではなく細胞群に影響を与える
  • 外部および内部の病理学的状態によって引き起こされる
  • 炎症反応の増強
細胞死後クリアランス(Post-death clearance) ファゴサイトーシス(貪食/食作用) ファゴサイトーシスでは無い 細胞分解(Cell lysis)
参考文献

1. Molecular mechanisms of cell death: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2018.
2. Cell death by autophagy: facts and apparent artefacts.
3. Growth arrest and autophagy are required for salivary gland cell degradation in Drosophila.
4. Autophagy, not apoptosis, is essential for midgut cell death in Drosophila. Autophagy, not apoptosis, is essential for midgut cell death in Drosophila.
5. Autophagic death of adult hippocampal neural stem cells following insulin withdrawal.
6. Receptor interacting protein kinase-3 determines cellular necrotic response to TNF-alpha.
7. Phosphorylation-driven assembly of the RIP1-RIP3 complex regulates programmed necrosis and virus-induced inflammation.
8. RIP3, an energy metabolism regulator that switches TNF-induced cell death from apoptosis to necrosis.
9. RIP kinases as modulators of inflammation and immunity.

アポトーシスとネクローシス関連抗体

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
Anti APAF1, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 21710-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti BAD, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 10435-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti BAK, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 14673-1-AP 150 UL
お問い合わせ
Anti BAX, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 50599-2-IG 150 UL
¥64,000
Anti BAX, Human (Mouse) Unlabeled, 4G5E8詳細データ PGI 60267-1-IG 150 UL
¥64,000
Anti BCL2, Human (Rabbit) Unlabeled/Alkaline Phosphatase詳細データ PGI 12789-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti BCL2, Human (Mouse) Unlabeled, 4H8C6詳細データ PGI 60178-1-IG 150 UL
¥64,000
Anti Bcl-XL, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 10783-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti Bcl-XL, Human (Mouse) Unlabeled, 4C12A6詳細データ PGI 66020-1-IG 150 UL
¥64,000
Anti BID, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 10988-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti Caspase 1/p20/p10, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 22915-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti Caspase 2/p18, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 10436-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti Caspase 2/p18, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 24777-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti Caspase 3, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 19677-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti Caspase 4/p20/p10, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 11856-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti Caspase 6/p18/p11, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 10198-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti Caspase 8, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 13423-1-AP 150 UL
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Anti Caspase 8, Human (Mouse) Unlabeled, 2B9H8詳細データ PGI 66093-1-IG 150 UL
¥64,000
Anti Caspase 9/p35/p10, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 10380-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti Caspase 9/p35/p10, Human (Mouse) Unlabeled, 1B7G2詳細データ PGI 66169-1-IG 150 UL
¥64,000
Anti Caspase 10/p23/17/p12, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 14311-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti Caspase 12, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 55238-1-AP 150 UL
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Anti cIAP1, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 10022-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti FAS/CD95, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 13098-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti FAS/CD95, Human (Mouse) Unlabeled, 1G7F7詳細データ PGI 60196-1-IG 150 UL
¥64,000
Anti MCL1L-specific, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 15825-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti MCL1, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 16225-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti MCL1, Human (Mouse) Unlabeled, 1E3C2詳細データ PGI 66026-1-IG 150 UL
¥64,000
Anti PUMA, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 55120-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti SURVIVIN, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 10508-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti TNFR1, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 21574-1-AP 150 UL
¥64,000
Anti TNFR1, Human (Mouse) Unlabeled, 2A6E3詳細データ PGI 60192-1-IG 150 UL
¥64,000
Anti UPF3A, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 17114-1-AP 150 UL
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Anti XIAP, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 10037-1-IG 150 UL
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Anti XIAP, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ PGI 23453-1-AP 150 UL
¥64,000

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