Corrective factors and recognition signals
Mucopolysaccharide storage diseases（MPS）の患者由来の培養皮膚線維芽細胞の研究により酵素補充療法のモデル系が生まれた。 このような線維芽細胞はグリコサミノグリカンの過剰蓄積を示し、このことはこれらの高分子の分解が不十分であるためと解釈された。 その結果、MPS I（ハーラー症候群）とMPS II（ハンター症候群）の患者から得た線維芽細胞の混合物は、グリコサミノグリカン代謝のパターンが正常であることが偶然にも発見された（図1）。 この2つの疾患は遺伝的に異なることが知られており、MPS Iは常染色体劣性遺伝、MPS IIはX連鎖性遺伝であることから、Fratantoniらは、異なる遺伝子型の線維芽細胞が互いに欠損した遺伝子産物を供給しているのではという仮説をたてました。 さらに研究を進めると、このような相互補正を行うためには、遺伝的に異なる細胞同士を接触させる必要はなく、一方が条件付けした培地が他方を補正することができることがわかった。 相互補正の戦略は、関連する病気にも応用できます。互いに補正し合う細胞は異なる遺伝子型を持ち、補正し合わない細胞は同じ遺伝子型になります（ただし、以下の重要な例外を参照してください）。
図1
Hurler と Hunter の細胞を培養中に混合すると、ムコ多糖蓄積の本質的に正常なパターンが得られた；すなわち、二つの異なる遺伝子型の細胞が培養中に互いに補正されたのである。 からの許可を得て引用した。 (さらに…)
Hurler症候群は、患者の肝リソゾームが劇的に膨張する観察からリソゾーム貯蔵病であると仮定されていたので、Fratantoniらは、条件付け液中の「修正因子」は、一方の細胞株が分泌し他方がエンドサイトするリソゾーム酵素ではないかと仮定している。 しかし、この補正因子は当時知られていたどのライソゾーム酵素にも対応していなかった（この状況は、数年後にβ-グルクロニダーゼ欠損型MPSが発見されると一変した）。 HurlerとHunterの補正因子の精製は、コンディショニング液からではなく、ライソゾーム酵素が比較的多く含まれる体液である尿から行われるようになった。 精製された因子に様々な生化学的手法を用いて機能を付与した結果、ハーラー補正因子とハンター補正因子はそれぞれα-l-イデュロニダーゼとイデュロン酸サルファターゼと名付けられた。
グリコサミノグリカン代謝の正常化にハーラー補正因子を必要とする細胞（ハーラー症候群とシャイー症候群の患者から得た）もα-l-イデュロニダーゼ活性が欠損していた（※）。 ハーラー線維芽細胞の矯正には、α-l-イデュロニダーゼの取り込みが必要であった。 酵素補充療法の良い前兆として、取り込みは驚くほど効率的で、完全な矯正を行うためにはごく少量のα-l-イデュロニダーゼを取り込むだけでよかったのです」
これで話は終わりかもしれませんが、ヒドロキシアパタイト・カラムからの酵素活性と矯正活性の溶出パターンに小さな不一致があり、ハーラーの矯正因子の二つの活性が正確に同一ではないことが示されました。 この不一致を追って、Shapiroらはヘパリンセファロースのカラムでα-l-イドロニダーゼを矯正画分と非矯正画分に分離し、矯正因子が触媒活性には必要ないが取り込みに必要な何らかの特徴を持っていることを示唆した。 同様に、β-グルクロニダーゼには、取り込みと補正活性が異なる複数の形態が見出された。
ライソゾーム酵素の取り込みに特異的なシグナルの存在は、MPSに似た新しく見つかった障害に関する研究の結果から示唆されていた-培養線維芽細胞における顕著な相密封入体から介在細胞病（I-cell病）と名付けられていた。 これらの線維芽細胞は複数のリソソーム酵素の欠損を有していたが、その周囲の培地にはリソソーム酵素が大量に含まれていた。 しかし、I細胞病の線維芽細胞が分泌した酵素は、他の細胞にエンドサイトーシスされず、矯正されなかった；おそらく、リソソームへの取り込みのためのシグナルを欠いていたのであろう . この単一遺伝子の欠陥によって多くのリソゾーム酵素が影響を受けることから（I細胞病は常染色体劣性遺伝）、シグナルは酵素タンパク質の翻訳後修飾であると推測された。 さらに、このシグナルは穏やかな過ヨウ素酸処理によって破壊されることから、糖質であると推測された。 糖鎖に基づく認識システムの概念は、循環糖タンパク質の肝臓への取り込みにおける糖鎖の役割に関するAshwellらの発見から強い影響を受けた。
特定の認識可能なシグナルの存在は、飽和する受容体を介したプロセスを意味し、リソゾーム酵素の取り込みはMichaelis-Mentenの速度論に従っていると示唆した。 認識シグナルの類似体が取り込みの競合阻害剤として作用することが予想された。 この予想は、α-l-イデュロニダーゼとβ-グルクロニダーゼの取り込みを、対応する欠損線維芽細胞によって調べることで明らかにされた。 Kaplanらによる、β-グルクロニダーゼの取り込みを阻害する最良の物質がマンノース-6-リン酸（M6P）であるという発見と、M6Pが長年求められていた認識シグナルの一部であるという彼らの提案は、哺乳類の糖タンパク質上にリン酸化糖が存在するという報告がそれまでなかったことから、驚きをもって受け止められた … このことは、α-l-イドロニダーゼや他のリソゾーム酵素の取り込みについて、様々な生化学的手法で直ちに確認され、リン酸化糖鎖基の構造解析によって最終的に証明された。 エンドサイトーシスによって発見されたシグナルは、新生ヒドロラーゼをリソゾームに標的化するシグナルであることも証明された。
M6P認識シグナルの合成を妨げるI細胞病の欠陥は、M6Pシグナルの合成に関わる二つの酵素のうちの一つを欠いていることであることが示された。 M6Pの2つの受容体が発見され、M6P受容体の化学と生物学、および細胞輸送におけるそれらの役割は、細胞生物学の広範で非常に活発な分野となった。 これらのトピックはこの巻の第3章と第5章を含む多くのレビューの対象になっています。 培養線維芽細胞におけるこれらの研究と同時に、生体内ではリソソーム酵素を取り込むための別のシグナルが発見された。 いくつかのライソゾーム酵素をラットに静脈内注射すると、循環から速やかに排出されるが、過ヨウ素酸で前処理したり、アガラクト糖タンパク質と一緒に注射すると、より長く持続することがわかった。 ここでもまた、糖鎖が特異的な認識のためのシグナルを提供することが仮定された。 この場合、認識の鍵となる糖質はマンノースで、肝臓の網状内皮細胞に取り込まれる。 マンノースの他にN-アセチルグルコサミンやl-フコースを認識するマンノース受容体がマクロファージの表面に存在することが示された 。 酵素補充療法の最初の提案で大きく取り上げられたインベルターゼの取り込み実験（上記参照）が成功したのは、インベルターゼがマンナン鎖を持つ糖タンパク質であり、マンノース受容体が認識するためであることは、歴史的に興味深いことです。