細胞間通信と細胞周期

Big Idea 3 — 情報の保存と伝達： 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

学習目標 4.1.A: 細胞同士が相互に通信する方法を説明せよ。

• 4.1.A.1 細胞は、他の細胞との直接接触或通过化学シグナルによる遠隔通信によって相互に信号を送る。
  • 4.1.A.1 の例示:
    • 免疫細胞は細胞間接触により相互作用し、抗原提示細胞（APCs）、ヘルパーT細胞、キラーT細胞が含まれる。

学習目標 4.1.B: 細胞が短距離および長距離で相互に通信する方法を説明せよ。

• 4.1.B.1 細胞は、シグナルを発信する細胞の周辺にある標的細胞に作用する局所調節因子を用いて短距離通信を行う。
  • 4.1.B.1 の例示:
    • 神経伝達物質
    • 植物の免疫応答
    • バクテリアのクオラムセンシング
    • 胚発生におけるモルフォゲン
• 4.1.B.2 ある種類の細胞から放出されたシグナルは、異なる種類の標的細胞まで長距離を移動する。
  • 4.1.B.2 の例示:
    • インスリン
    • ヒト成長ホルモン
    • 甲状腺ホルモン
    • テストステロン
    • エストロゲン

Big Idea 3 — 情報の保存と伝達： 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

学習目標 4.2.A: シグナル伝達経路の構成要素を説明せよ。

• 4.2.A.1 シグナル伝達経路は、シグナル受容と細胞応答を結びつける。
• 4.2.A.2 多くのシグナル伝達経路にはタンパク質修飾が含まれ、リン酸化カスケードに関与する。

学習目標 4.2.B: シグナル伝達経路の構成要素が細胞応答を生み出す役割を説明せよ。

• 4.2.B.1 シグナル伝達は、標的細胞内の受容体タンパク質によって化学メッセンジャー（リガンド）が認識されることから始まる。
  • i. 受容体のリガンド結合ドメインは特定の化学メッセンジャーを認識し、これはペプチド（タンパク質）または小分子であることがある。
  • ii. Gタンパク質結合性受容体は真核生物における受容体タンパク質の一例である。
  • iii. 受容体は、標的細胞の表面、または細胞質や核内に位置することがある。
• 4.2.B.2 シグナルカスケードは受容体から細胞標的へシグナルを伝達し、流入したシグナルを増幅して、適切な細胞応答をもたらす。応答には、細胞増殖、分子の分泌、あるいは遺伝子発現が含まれる。
  • i. リガンドが結合した後、受容体タンパク質の細胞内ドメインの形状が変化し、シグナルの伝達が開始される。
  • ii. 酵素および第二 metavar（cAMPなどの環状AMP）は、細胞内シグナルを伝達・増幅する。
  • iii. ホルモンは、血流中を長距離を移動できるシグナルメッセンジャーの一例である。
  • iv. リガンドの結合により、リガンド依存性チャネルが開くか閉じたりする。

Big Idea 3 — 情報の保存と伝達： 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

学習目標 4.3.A: シグナル伝達経路によって引き起こされる異なる種類の細胞応答を説明せよ。

• 4.3.A.1 シグナル伝達は、遺伝子発現や細胞機能の変化をもたらすことがあり、これにより表現型が変化したり、 programmed cell death（アポトーシス）が起こったりする。
  • 4.3.A.1 の例示:
    • 微生物が化学メッセンジャーを用いて近隣の他の細胞と通信し、集団密度に応じた特定の経路を調節する（クオラムセンシング）。
    • 哺乳類におけるグリコゲン分解に対するエピネフリン刺激。

学習目標 4.3.B: どの signaling molecule の構造の変化が、signaling pathway の活性に影響を与えるかを説明せよ。

• 4.3.B.1 シグナル伝達経路の変化は細胞応答を変化させることができる。受容体タンパク質のどのドメイン、あるいはシグナル伝達経路のどの構成要素にも生じる突然変異は、後続のシグナル伝達を変化させることで、下流の構成要素に影響を与える可能性がある。
  • 4.3.B.1 の例示:
    • サイトカインは遺伝子発現を調節し、細胞の複製および分裂を可能にする。
    • 酵母の交尾フェロモンは、交尾関連遺伝子の発現を引き起こす。
    • エチレン濃度の変化は、異なる酵素の生産量を変化させ、果実の成熟を促す。
    • HOX遺伝子は、胚発生中に動物の体計画を調節する。
• 4.3.B.2 シグナル伝達経路のいずれかの構成要素と相互作用する化学物質は、その経路を活性化または阻害することがある。

Big Idea 2 — エネルギー学: 生物系はエネルギーと分子の構成要素を用いて成長し、繁殖し、動的な恒常性を維持する。

学習目標 4.4.A: 正のフィードバックおよび負のフィードバックがホメオスタシス（恒常性）の維持にどのように寄与するかを説明せよ。

• 4.4.A.1 生物体は、内部・外部の変化に対応して体内環境を維持するために、フィードバック機構を用いる。
  • i. 負のフィードバック機構は、生理学的プロセスを調節するために初期刺激を低減することにより、ホメオスタシスを維持する。あるシステムが攪乱された場合、負のフィードバック機構はそのシステムを目標設定値に戻す。これらのプロセスは、分子レベル、細胞レベル、個体レベルで機能する。
    • 4.4.A.1.i に関する例:
      • インスリン/グルカゴンによる血糖値の調節
  • ii. 正のフィードバック機構は、生物体内的の反応やプロセスを増幅させる。反応を引き起こす変数は、初期設定値からさらに遠ざかる。刺激がさらに強化されることで増幅が起こり、それに応じて追加の反応が生じ、システムの変化がもたらされる。
    • 4.4.A.1.ii に関する例:
      • 哺乳類の授乳
      • 分娩時の陣痛の始動
      • 果実の熟成

Big Idea 3 — 情報の保存と伝達： 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

学習目標 4.5.A: 細胞周期で起こる一連の出来事を説明せよ。

• 4.5.A.1 細胞周期とは、真核細胞の増殖と生殖を制御する、厳密に調節された一連の出来事である。
  • i. 細胞周期は、間期（G1, S, G2）、有糸分裂、胞質分裂という連続した段階からなる。
  • ii. G1相：細胞は代謝的に活発であり、小器官および細胞質成分を複製している。
  • iii. S相：DNAはクロマチンの形をとっており、相同な2本の姉妹染色分体が一次着丝点で連結されるように複製される。
  • iv. G2相：タンパク質合成が行われ、大量のATPが産生され、中心小体が増殖する。
  • v. 細胞は分裂を停止する段階（G0）に入ることがあるが、適切なシグナルに応答して細胞周期に再び入ることができる。
  • vi. 分裂しない細胞は、細胞周期から外れるか、あるいは特定の段階で停滞することがある。

学習目標 4.5.B: 有糸分裂が染色体を親世代の細胞から娘世代の細胞へ如何に継承するかを説明せよ。

• 4.5.B.1 有糸分裂は、真核生物において、親細胞から遺伝的に同一な2つの娘細胞への完全なゲノムの移行を保証するプロセスである。
  • i. 有糸分裂は、成長、組織修復、無性生殖に関与する。
  • ii. 有糸分裂は、前中期、中期、後期、末期という連続したステップで行われ、細胞周期内で間期と交互に現れる。
  • iii. 前中期：姉妹染色分体が凝縮し、有糸分裂紡錘体の形成が始まり、中心小体が細胞の反対極へ移動する。
  • iv. 中期：紡錘糸が赤道板上で染色体を配列させる。
  • v. 後期：姉妹染色分体のペアが分離し、紡錘糸が染色分体を極へ引っ張る。
  • vi. 末期：有糸分裂紡錘体が分解し、新しい核膜が形成され、その後胞質分裂が行われる。
  • vii. 胞質分裂：動物細胞では分裂溝が形成され、植物細胞では細胞板が形成され、2つの新たな娘細胞が生まれる。

Big Idea 3 — 情報の保存と伝達： 生命システムは、生命過程に不可欠な情報を保存し、検索し、伝達し、応答する。

学習目標 4.6.A: チェックポイントが細胞周期の調節に果たす役割を説明せよ。

• 4.6.A.1 細胞周期の進行を調節するための多数の内部コントロール、すなわちチェックポイントが存在する。
• 4.6.A.2 シクリンとシクリン依存性キナーゼとの相互作用が細胞周期を制御する。
  • 除外事項: 特定のシクリン-CdKペアや成長因子に関する知識はAP試験の範囲外である。

学習目標 4.6.B: 細胞周期への撹乱が細胞や生物体に与える影響を説明せよ。

• 4.6.B.1 細胞周期への撹乱は、がんやアポトーシス（プログラム細胞死）の原因となることがある。