脳科学辞典 - 利用者の投稿記録 [ja]

中間径フィラメント

2012-06-26T01:08:54Z

Takaonakata:

英：Intermediate filament

　[[細胞骨格]](cytoskeleton)と呼ばれる[[wikipedia:JA:細胞質|細胞質]]内のタンパク質性の線維系のひとつ。[[ミオシン]]フィラメントと[[アクチン]]フィラメントの中間の径10nmであることから中間径フィラメント(intermediate filament)と呼ばれる。細胞間でよく保存されている[[微小管]]やアクチン線維と異なり、相同性はあるが細胞の種類によって異なるタンパク質が発現するので、[[wikipedia:ja:細胞分化|細胞分化]]のマーカーとしても用いられる。

== 中間径フィラメントの種類 ==

　六つのクラスに分けられている。

　クラスI,IIは,酸性および塩基性の[[wikipedia:JA:サイトケラチン|サイトケラチン]](cytokeratin)で[[wikipedia:JA:上皮細胞|上皮細胞]]に発現し、[[wikipedia:JA:爪|爪]]や[[wikipedia:JA:毛|毛]]の大部分を成す。

　クラスIIIは[[wikipedia:JA:ビメンチン|ビメンチン]](vimentin)、[[wikipedia:JA:デスミン|デスミン]](desmin)、[[グリア線維性酸性タンパク質]](glial fibrillary acidic protein, GFAP)で、ビメンチンは[[wikipedia:JA:線維芽細胞|線維芽細胞]]など[[wikipedia:JA:間葉系|間葉系]]細胞に発現している。[[wikipedia:JA:筋細胞|筋細胞]]にはデスミン、[[星状膠細胞]]ではGFAP、[[ペリフェリン]](peripherin)が発現する。

　クラスIVは、[[ニューロフィラメント]](neurofilament)で、H,M,Lの３種のポリペプチドで構成され、[[神経細胞]]に発現する。

　クラスVは、[[wikipedia:JA:核膜|核膜]]を裏打ちする[[ラミン]](lamin)である。

　クラスVIは、[[ネスチン]](nestin)で、[[神経性幹細胞|神経幹細胞]]のマーカーとしてよく用いられる。

== 基本構造・重合 ==

　幾つかの点で、他の２種の細胞骨格線維とは大きく異なっている。中間径フィラメントには極性がない。また、重合に[[wikipedia:JA:ATP|ATP]]や、[[wikipedia:JA:GTP|GTP]]を要さず、細胞質内で脱重合している成分は少ない。一旦重合すると生理的な[[wikipedia:ja:緩衝液|緩衝液]]で脱重合することはなく安定である。アクチンや[[チュブリン]]ファミリーに比べ、構造が多様である。しかし、Ｎ末Ｃ末の球状領域をつなぐ桿状領域（rod domain, 340aa）はファミリー内で良く保存されている。この部分で[[コイルドコイル]]をつくった二量体がアンチパラレル(anti-parallel)に結合して四量体のプロトフィラメント(protofilament)となる。このプロトフィラメントが２つで、プロトフィブリル(protofibril)を形成、それが４つ集まり、10nmの太さになると考えられている。

== 機能 ==

　上皮細胞などでは[[wikipedia:JA:デスモゾーム|デスモゾーム]]や[[wikipedia:JA:ヘミデスモゾーム|ヘミデスモゾーム]]に中間径フィラメントが密着し、その構造を補強すると考えられている。皮膚でのケラチンは、毛、爪の主要成分である。しかし、ビメンチンやデスミンなどをノックアウトしても顕著な表現型はでず、細胞を構造的に補強する機能以外はあまり分かっていない。

== 神経細胞とニューロフィラメント ==

　神経細胞に発現するニューロフィラメントは安定で、[[鍍銀染色]]で染まることがよく知られている。他の中間径フィラメントと異なり、L, M, Hの３つのポリペプチドからなる。[[神経突起]]内は突起に平行に線維が形成され線維間は架橋構造(cross-bridge)で梯子状に繋がれている。H, M鎖の部分がこの架橋構造を形成している。ニューロフィラメントは遅い[[軸索輸送]](slow axonal transport)で運ばれる。

== 中間径フィラメントと疾患 ==

　中間径フィラメント関連疾患は、多様な組織でおこる。人疾患が中間径フィラメントの遺伝子変異で起こると最初に報告されたのは、1991年のケラチンK14と単純型表皮水疱症である。それ以降、ヒトのメンデル遺伝をする疾患の多くが中間径フィラメントの遺伝子変異と関連づけられるようになった。主な疾患は、表１にある。神経系では、GFAPの変異がアレキサンダー病の原因遺伝子であることが2007年に分かった。アレキサンダー病は、稀なleukodystrophyの一つで1949年に発見された。ミエリンの障害が主な進行性の変性疾患で、GFAPのコード領域での優性遺伝性の変異が原因である。神経細胞では、2004年、NIFID (neuronal IF inclusion disease)が報告された。これはa-internexinが主に溜まる疾患で、痴呆症になるが、未だ遺伝子の変異は見つかっていない。また、遺伝性の末梢神経障害を起こすCMT(Charcot-Marie-Tooth)病には様々な原因遺伝子が挙げられているが、2000年に、ニューロフィラメントLの変異も関連づけられた。病態としてニューロフィラメントの蓄積が言われ続けたものに、ALS(筋委縮性側索硬化症)がある。しかし、ALSと関連するニューロフィラメント遺伝子の変異はまだ見つかっていない。近年、ペリフェリンが関与するという報告もある。また多くの神経変性疾患でニューロフィラメントの蓄積(spheroids)が細胞体や軸索に起こることが知られている。
これらの病態にアプローチするため、これらneuronal IFのノックアウトマウスや過剰発現マウスが作られた（表２）。しかし、ノックアウトマウスは、予想に比べて穏やかな表現型しか出なかった。一方、過剰発現系では神経変性疾患を模すようなニューロフィラメントの蓄積が見られた。

{| class="wikitable"
|+ 表1・中間径フィラメントの変異と関係する疾病
!colspan="2" style="white-space:nowrap" |中間径フィラメント
! 疾病例
|-
! style="white-space:nowrap" |タイプ1・2　
| ケラチン
| 単純型表皮水疱症、表皮剥離性角化症、メースマン角膜上皮変性症、連珠毛、白色海綿状母斑
|-
!rowspan="4" |タイプ3
| デスミン
| デスミン関連ミオパチー、拡張型心筋症1A、デスミン関連肢帯型筋ジストロフィー症、変異型ミオパチー
|-　
| GFAP
| アレキサンダー病　
|-
| ペリフェリン
| 筋萎縮性側索硬化症1　
|-
| ビメンチン
| 優性型白内障　
|-
! タイプ4　
| style="white-space:nowrap" |ニューロフィラメント
| 種々のCMT（Charcot-Marie-Tooth）病、パーキンソン病、筋萎縮性側索硬化症1、神経系中間径フィラメント封入体病
|-　
! rowspan="2" |タイプ5　
| A型ラミン
| ハッチンソンギルフォード症候群、異型性ベルナー症候群、拡張型心筋症1A、家族性部分性リポジストロフィー、肢体型筋ジストロフィー症、エメディドレフィス型筋ジストロフィー症、一部の皮膚筋炎　
|-　
| B型ラミン
| 獲得性部分型リポジストロフィー、成人発生型ロイコジストロフィー　
|-
! rowspan="2" |タイプ6　
| Bfsp1
| 白内障　
|-　
| Bfsp2
| 白内障　
|}

{| class="wikitable"
|+ 表2・神経系中間径フィラメント欠失マウス及び過剰発現マウスの表現型
!style="white-space:nowrap" |中間径フィラメントタンパク
! 表現型
|-
! colspan="2" style="white-space:nowrap" style="background-color:#dfd" |神経系中間径フィラメントのノックアウトマウス
|-
| NFL　
| 軸索に中間径フィラメントがなくなる、軸索直径の減少、軸索の興奮伝達の異常、NFMとNFHの減少、運動ニューロンの20％減少、再生有髄神経の成熟の遅れ
|-
|NFM
| 大型有髄神経の軸索直径の減少、中間径フィラメントの減少、NFLは減少しNFHは増える、運動神経の萎縮と後ろ足の麻痺、微小管の量の増加　
|-　
| NFH
| 軸索直径が少しだけ減少、ニューロフィラメント同士の間隔が少しだけ減少　
|-
| NFMとNFH
| 単独のものよりも強い表現型
|-
| ペリフェリン
| 無髄間隔神経の数の減少
|-
| αインターネキシン
| 軸索径に変化無し
|-
! colspan="2" style="white-space:nowrap" style="background-color:#dfd" |神経系中間径フィラメントの過剰発現マウス
|-
| NFL　
| ニューロフィラメントの運動神経での蓄積と軸索の変性、筋肉の萎縮
|-
| NFM
| 軸索径の成長の遅延、フィラメント間の距離は不変　
|-　
| NFH
| 軸索径の成長の遅延、フィラメント間の距離は不変　
|-
| style="white-space:nowrap" |NFLとNFM または NFLとNFH
| 軸索径の増加
|-　
| NFM(ヒト)
| 運動神経の減少
|-
| NFH(ヒト)
| 細胞体と近位軸索でのニューロフィラメントの異常な蓄積、筋肉の萎縮　運動障害、運動神経の減少は見られない
|-
| ペリフェリン
| 加齢に応じた運動神経の選択的減少
|-
| style="white-space:nowrap" |αインターネキシン
| 小脳プルキンエ細胞の変性　
|-
| 変異NFL(rod領域)
| 運動神経の変性、軸索異常、細胞体周辺での中間径フィラメントの蓄積
|-
| 変異NFL(3’UTR)
| 運動機能の失調、前根の萎縮
|}

== 参考文献 ==

1.'''Manfred Schliwa''' 
''The cytoskeleton an introductory survey ''　1986 
Springer-Verlag /Wien

2.'''Bruce Alberts et al.''' 
''Molecular Biology of the Cell ''　5th ed 2008 
Garland Publishing,Inc /NewYork

3.'''Jonathon Howard''' 
''Mechanics of Motor Proteins and the cytoskeleton ''　2001 
Sinauer Associates,Inc /Sunderland Massachusetts

4.''' M Bishr Omary ''' 
"IF-pathies": a broad spectrum of intermediate filament-associated diseases. 
''J. Clin. Invest.'': 2009, 119(7);1756-62 [PubMed:19587450]

5.''' Ronald K H Liem, Albee Messing ''' 
Dysfunctions of neuronal and glial intermediate filaments in disease. 
''J. Clin. Invest.'': 2009, 119(7);1814-24 [PubMed:19587456]

（執筆者：中田隆夫　担当編集委員：河西春郎）

細胞骨格

2012-06-12T08:20:53Z

Takaonakata:

細胞骨格

2012-06-12T07:07:48Z

Takaonakata:

細胞骨格

2012-06-12T06:33:44Z

Takaonakata:

2012-06-07T07:13:40Z

Takaonakata:

細胞骨格

2012-06-07T06:06:21Z

Takaonakata:

英：cytoskeleton

　[[wikipedia:JA:真核細胞|真核]][[wikipedia:JA:細胞質|細胞質]]内のタンパク質性の線維状の構造で、[[微小管]](microtubules)、[[中間径フィラメント]](intermediate filaments)、[[アクチンフィラメント]](actin filaments)の三種類とその結合タンパク質からなる。近年、[[wikipedia:JA:原核細胞|原核細胞]]にもこれらに相同性のあるタンパク質が見つかっている。

== 歴史 ==

　細胞骨格タンパク質の研究は、常に形態学的研究の進展とともにあった。真核細胞の細胞質には[[wikipedia:JA:トライトン|トライトン]]（Triton）不溶性の線維構造があると分かり、これが“細胞骨格”分画と呼ばれ、[[wikipedia:JA:電子顕微鏡|電子顕微鏡]]等による研究が行われるようになった。生物電子顕微鏡のパイオニアであり細胞生物学の創始者のひとりであるK.Porterは[[wikipedia:ja:超臨界乾燥|臨界点乾燥法]]を用いて細胞質には複雑な網目状の構造 microtrabecula があるとした。

　現在はこの説は退けられているが、細胞質内のタンパク質性の線維は、微小管（直径25nm）、中間径フィラメント(10nm)、微細線維（マイクロフィラメント）(6nm) の三種類に分類されている。微小管は中空で径も大きく電子顕微鏡像で容易に区別がつく。アクチンフィラメントには[[ミオシン]]が結合する。ミオシン頭部を細胞骨格試料に加えると、マイクロフィラメントを矢じり状に修飾する。そこでマイクロフィラメントが筋肉で研究されてきたアクチンフィラメントに相当するものであることが分かった（注意深い議論をする場合は、その成分がアクチンであると証明されるまでは、マイクロフィラメントという呼称を用いる）。一方、ミオシン頭部が全く結合しないことで中間径フィラメントが別に存在することが確立した。

　また、1970年代以降、[[wikipedia:JA:抗体|抗体]]を用いた[[wikipedia:JA:免疫染色|蛍光抗体光学顕微鏡法]]は、細胞骨格タンパク質の細胞内の３次元構築を明らかにした。1980年代、[[急速凍結ディープエッチ法]]は電子顕微鏡レベルで細胞骨格の三次元的構成を示した。一方、生化学的研究の進展は、その構成タンパク質および関連タンパク質を明らかにし、それら線維の重合脱重を試験管内で再現した。これに対応し、蛍光標識した構成タンパク質とビデオ顕微鏡を用いて生細胞内での細胞骨格成分の動態が観察できるようになった。ビデオ顕微鏡は、この分野の大きな進展である軸索輸送のモーター分子である[[キネシン]]の発見(1985)をもたらした。

　昔から知られてきたミオシンと[[ダイニン]]についても、新たな類縁タンパク質群が発見された。これらのモーター分子のアッセイや細胞骨格の重合脱重合のメカニズムの研究に、[[一分子イメージング]]など光学顕微鏡技術の進展が大きく寄与している。

== 細胞骨格の機能 ==

　細胞の構造を内部から補強する将に“細胞の骨格”としての役割の他、細胞の形態形成、分裂、運動、極性、小胞輸送など様々な細胞内の機能を果たすと考えられている。異なる線維間の相互作用についても古くから興味を持たれてきたが、未解明の点も多い。以下、３線維の特徴を比較するが、それぞれの線維の詳細については、各項を参照されたい。

== 微小管（微細管） ==

===線維のサイズ===
直径25nm

===線維の特徴===
中空の管状の線維。極性あり（重合の早い側が＋端）

===構成成分===
[[GTP結合タンパク質]]である[[チュブリン]](tubulin)α、βの二量体(50kd)

===重合・脱重合===
　チュブリンα、βの２量体が縦に１列に並んだもの（α、β、α、β、・・・）をプロトフィラメントという。これが12-16本横に繋がって微小管の壁を形成する。実際の重合は、GTP,Mg存在下で、管の両端に２量体が付加されることで起き、速く重合する側を＋端、遅い側を－端と呼ぶ。重合にはGTP型のチュブリン２量体が必要だが、その加水分解は重合には必要がない。GDP型のチュブリン同士の結合は管を維持するには弱い。

====臨界濃度とトレッドミル====
　重合に必要なチュブリン２量体の濃度を臨界濃度と言う。チュブリン２量体の濃度を上手く設定すると、＋端では重合し、－端では微小管が脱重合するようにできる。重合速度と脱重合速度を同じに保つと、長さが不変で、見かけ上＋方向に移動するように見える。これをトレッドミル状態という。ある種の細胞ではこれが細胞内で起こることが知られているが、神経細胞でどれほど起きているのかは不明である。

====GTPキャップと動的不安定性モデル====
　in vitroで微小管の重合脱重合を観察すると、隣り合う微小管が、一方が伸長し、他方が脱重合する場合がある。一般には、同一条件においては、化学反応は同じ方向に進むと考えられるので、この現象は不思議に思われ、動的不安定性(dynamic instability)といわれる。この解釈として以下の説が広く知られている。微小管の＋端がGTPチュブリンで覆われているときは、微小管は重合する。この覆いをGTPキャップという。微小管内でGTPチュブリンは加水分解されてGDPチュブリンとなる。微小管の＋端のチュブリンまでが加水分解されて、GDPチュブリンが露出されると微小管は不安定になり、端がGTPチュブリンに覆われているところまで脱重合する。端にGTPキャップを持った微小管は再び重合をはじめる。この動的不安定性はin vivoでも起きている。しかしその場合は様々な微小管関連タンパク質の修飾を受けることになる。

　神経細胞の特に長い軸索における微小管が、どのような形で輸送されるかは、軸索輸送の重要な問題の一つである。蛍光標識したチュブリンの神経細胞への微量注入による実験では、一般には塊として移動する微小管は観察されず、脱重合状態で運ばれ、その後、重合し微小管にとりこまれると結論づけられた。その後GFPラベルしたチュブリンの移動が一部の細胞の軸索で観察されたが、全ての神経細胞（例えば良く使われる海馬の神経細胞）で観察されるわけでない。微小管を管のままの輸送がたとえあるにせよ、微小管の軸索輸送の主体をなすとは限らない。

===結合・関連タンパク質===
　古典的微小管関連タンパク質(microtubule-associated proteins　MAPs)とは、微小管精製の重合脱重合サイクルで微小管とともに精製され、微小管重合を促進するものをいう。MAP1A, 1B, MAP2, MAP4, tauなどがある。隣り合う微小管を架橋するなど構造的な機能が示唆されている。tauは遺伝性アルツハイマー病の原因遺伝子である。MAP2は樹状突起と細胞体のマーカーとなる。

　微小管の上のモーター分子にはキネシン、ダイニンおよびその類縁タンパク質がある。これらは、微分干渉顕微鏡像のタイムラプス像を電気的にコントラスト増強することで、一本の微小管がスライドグラスの上を移動するのが観察できるようになった1980年代中盤の技術革新のたまものである。微小管関連タンパク質MAP1Cは細胞質ダイニンであることがわかった。分子生物学の発展で、数多くのキネシン類縁タンパク質（KIFs）が同定された。それぞれの機能については現在、詳細に研究がされている。

　新しい関連タンパク質として、微小管が重合する際にその＋端に彗星のように結合する一連のタンパク質がある。これはGFPが普及し、その融合タンパク質の局在や動態を見ることがルーチンになったため、偶然に発見された。EB1, Clip-170, STIM1などがあり +tipsタンパク質と呼ばれている。

===細胞内分布と機能===
　一般的な細胞では、中心体から放射状に細胞質全体に放射するほか、[[wikipedia:JA:精子|精子]]の[[wikipedia:JA:鞭毛|鞭毛]]や、分裂細胞の[[wikipedia:JA:紡錘糸|紡錘糸]]の主要成分である。

===神経細胞での特徴===
　軸索や樹状突起の中を突起に平行に走行し、[[オルガネラ]]や小胞輸送のためのレールの役割を果たしている。軸索輸送に重要な役割を果たす。

== 中間径フィラメント ==

===線維のサイズ===
直径10nm

===線維の特徴===
極性がない。

===構成成分===
　細胞の種類によってタンパク質の種類が異なる細胞骨格タンパク質(40-180kD)。非神経では、[[ケラチン]], [[ビメンチン]], [[デスミン]], [[グリア線維性酸性タンパク質]]などが構成成分となっているが、神経では、[[神経幹細胞]]では[[ネスチン]], 発生の段階で[[インターネキシン]]、その後[[ニューロフィラメント]] H, M, Lが発現する。

===重合脱重合===
他の線維に比べ、安定である。

===細胞内分布===
　[[wikipedia:JA:上皮細胞|上皮細胞]]では細胞間接着の[[wikipedia:JA:デスモゾーム|デスモゾーム]]に結合し、細胞の構造的補強を行っている。

===神経での特徴===
　３つの異なるサブユニットが重合し、フィラメント間に多くの架橋構造を形成するのが特徴的である。H鎖はリン酸化のターゲット分子であり神経細胞では[[軸索]]の遠位部で強く[[リン酸化]]されていて、リン酸化抗体は軸索のマーカー分子として使われる。細胞の構造的補強以外の機能は諸説ある。

== アクチンフィラメント（微細線維、マイクロフィラメント） ==

===線維のサイズ===
直径6nm

===線維の特徴===
極性あり。細胞膜についているほうが、＋端。

===構成成分===
アクチン(45kd)

===重合脱重合===
　アクチンはモノマーをG-アクチン、ポリマーをF-アクチンといい、ATP型のG-アクチンは、K+, Mg2+存在下　２量体、３量体を形成する。さらにG-アクチンは、アクチンフィラメントの＋端に結合し、ゆっくりとATPの加水分解を起こす。その結果フィラメント内のアクチンはADP型のF-アクチンということになる。チュブリンと同様でATPの加水分解は線維の伸長には必要ではない。重合したF-アクチンは、サブユニットがらせん状にピッチ13.5個並んだ二重らせんを形成する。

===結合・関連タンパク質===
　アクチンの研究は筋の研究からはじまり歴史が長く、対象生物も酵母、粘菌からヒトまで幅広いため、関係する蛋白を網羅するのは難しい。そこで、アクチンが主に作用する幾つかの良く研究されている細胞内の事象に関連するタンパク質を概説する。
====アクチンフィラメント端での重合脱重合====
プロフィリンは12-15 kDのアクチンモノマー結合タンパク質。単量体アクチンのADP-ATP交換反応を加速する。プロフィリンはアクチン伸長を助けるが、アクチン重合核の形成に対しては阻害的に働く。一方ADF/コフィリンは、アクチン繊維を切断・脱重合する活性をもつ20 kDaのアクチン結合タンパク質である。ADP結合型のアクチンに対してより高い親和性を持ち、古いアクチン線維を切断・脱重合すると考えられている。
====キャッピングタンパク質====
このタンパク質がアクチンフィラメントの端につくと、重合も脱重合もしない安定なフィラメントを形成する。
====微絨毛====
小腸上皮細胞の頂部にある突起。この中には突起先端を＋端としたアクチンフィラメントの束がある。これを束ねる架橋形成タンパク質にビリンやフィンブリンなどがあり、アクチンの束と細胞膜の間にはミオシンIが豊富である。
====移動細胞におけるラメリポディア====
Arp2/3複合体は、二つのアクチン関連タンパク質 (actin-related protein) Arp2とArp3を含むヘテロ七量体のタンパク質複合体である。枝分かれしたアクチン繊維を形成することができる。これらはさらにWASPやracにより制御されている。
====アクチンの重合によるリステリア菌の細胞内移動====
この菌は侵入した細胞内で、菌の一方の端（後ろ）にActAを用いてアクチンフィラメントを重合させ, その反作用で前に進む。この時PIP2とPIP3 が必要である。
====細胞膜の裏打ち====
ERMタンパク質　エズリン、ラディキシン、モエシン　はN末にBand4.1 様のドメインFERMがあり、膜と結合する。一方、C末はアクチン線維と結合する。
====細胞接着====
ラミニンなどと結合したインテグリンは一時的にタリン、ビンクリンを介してアクチン細胞骨格を制御する。カドヘリンは細胞間の接着に役割を果たすが、細胞内ではαβカテニンを介してアクチン細胞骨格に結合する。
====アクチンフィラメント上のモーター分子====
ミオシン：ATPを加水分解し、アクチンフィラメントの上を移動する。骨格筋のミオシンはミオシンIIである。、ミオシンIは尾部が短い。ミオシンV は神経細胞にも豊富だが、その機能としては細胞内のメラニン顆粒の分布の制御が明らかである。

===細胞内分布と機能===
　細胞膜と強く関連し、細胞運動や移動で重要な役割を果たす。一般的細胞では細胞膜直下に多く、細胞膜が分化した構造、[[wikipedia:JA:微絨毛|微絨毛]]や接着結合、分裂時の[[wikipedia:JA:収縮輪|収縮輪]]等に多く、培養細胞の[[wikipedia:JA:ストレスファイバー|ストレスファイバー]]の主成分である。

===神経細胞での特徴===
　神経細胞では細胞膜直下のほか、樹状突起の[[スパイン]]や、[[シナプス後肥厚]] 、[[ランヴィエの絞輪]]、[[成長円錐]]に多い。 

== 微小管（微細管） ==

;線維のサイズ:直径25nm

;線維の特徴:中空の管状の線維。極性あり（重合の早い側が＋端）

;構成成分:[[GTP結合タンパク質]]である[[チュブリン]](tubulin)α、βの二量体(50kd)

;重合・脱重合
:　チュブリンα、βの２量体が縦に１列に並んだもの（α、β、α、β、・・・）をプロトフィラメントという。これが12-16本横に繋がって微小管の壁を形成する。実際の重合は、GTP,Mg存在下で、管の両端に２量体が付加されることで起き、速く重合する側を＋端、遅い側を－端と呼ぶ。重合にはGTP型のチュブリン２量体が必要だが、その加水分解は重合には必要がない。GDP型のチュブリン同士の結合は管を維持するには弱い。

:;（臨界濃度とトレッドミル）
:　重合に必要なチュブリン２量体の濃度を臨界濃度と言う。チュブリン２量体の濃度を上手く設定すると、＋端では重合し、－端では微小管が脱重合するようにできる。重合速度と脱重合速度を同じに保つと、長さが不変で、見かけ上＋方向に移動するように見える。これをトレッドミル状態という。ある種の細胞ではこれが細胞内で起こることが知られているが、神経細胞でどれほど起きているのかは不明である。

:;（GTPキャップと動的不安定性モデル）
:　in vitroで微小管の重合脱重合を観察すると、隣り合う微小管が、一方が伸長し、他方が脱重合する場合がある。一般には、同一条件においては、化学反応は同じ方向に進むと考えられるので、この現象は不思議に思われ、動的不安定性(dynamic instability)といわれる。この解釈として以下の説が広く知られている。微小管の＋端がGTPチュブリンで覆われているときは、微小管は重合する。この覆いをGTPキャップという。微小管内でGTPチュブリンは加水分解されてGDPチュブリンとなる。微小管の＋端のチュブリンまでが加水分解されて、GDPチュブリンが露出されると微小管は不安定になり、端がGTPチュブリンに覆われているところまで脱重合する。端にGTPキャップを持った微小管は再び重合をはじめる。この動的不安定性はin vivoでも起きている。しかしその場合は様々な微小管関連タンパク質の修飾を受けることになる。

:　神経細胞の特に長い軸索における微小管が、どのような形で輸送されるかは、軸索輸送の重要な問題の一つである。蛍光標識したチュブリンの神経細胞への微量注入による実験では、一般には塊として移動する微小管は観察されず、脱重合状態で運ばれ、その後、重合し微小管にとりこまれると結論づけられた。その後GFPラベルしたチュブリンの移動が一部の細胞の軸索で観察されたが、全ての神経細胞（例えば良く使われる海馬の神経細胞）で観察されるわけでない。微小管を管のままの輸送がたとえあるにせよ、微小管の軸索輸送の主体をなすとは限らない。

;結合・関連タンパク質
:　古典的微小管関連タンパク質(microtubule-associated proteins　MAPs)とは、微小管精製の重合脱重合サイクルで微小管とともに精製され、微小管重合を促進するものをいう。MAP1A, 1B, MAP2, MAP4, tauなどがある。隣り合う微小管を架橋するなど構造的な機能が示唆されている。tauは遺伝性アルツハイマー病の原因遺伝子である。MAP2は樹状突起と細胞体のマーカーとなる。

:　微小管の上のモーター分子にはキネシン、ダイニンおよびその類縁タンパク質がある。これらは、微分干渉顕微鏡像のタイムラプス像を電気的にコントラスト増強することで、一本の微小管がスライドグラスの上を移動するのが観察できるようになった1980年代中盤の技術革新のたまものである。微小管関連タンパク質MAP1Cは細胞質ダイニンであることがわかった。分子生物学の発展で、数多くのキネシン類縁タンパク質（KIFs）が同定された。それぞれの機能については現在、詳細に研究がされている。

:　新しい関連タンパク質として、微小管が重合する際にその＋端に彗星のように結合する一連のタンパク質がある。これはGFPが普及し、その融合タンパク質の局在や動態を見ることがルーチンになったため、偶然に発見された。EB1, Clip-170, STIM1などがあり +tipsタンパク質と呼ばれている。

;細胞内分布と機能
:　一般的な細胞では、中心体から放射状に細胞質全体に放射するほか、[[wikipedia:JA:精子|精子]]の[[wikipedia:JA:鞭毛|鞭毛]]や、分裂細胞の[[wikipedia:JA:紡錘糸|紡錘糸]]の主要成分である。

;神経細胞での特徴
:　軸索や樹状突起の中を突起に平行に走行し、[[オルガネラ]]や小胞輸送のためのレールの役割を果たしている。軸索輸送に重要な役割を果たす。

== 中間径フィラメント ==

;線維のサイズ:直径10nm

;線維の特徴:極性がない。

;構成成分
:　細胞の種類によってタンパク質の種類が異なる細胞骨格タンパク質(40-180kD)。非神経では、[[ケラチン]], [[ビメンチン]], [[デスミン]], [[グリア線維性酸性タンパク質]]などが構成成分となっているが、神経では、[[神経幹細胞]]では[[ネスチン]], 発生の段階で[[インターネキシン]]、その後[[ニューロフィラメント]] H, M, Lが発現する。

;重合脱重合:他の線維に比べ、安定である。

;細胞内分布
:　[[wikipedia:JA:上皮細胞|上皮細胞]]では細胞間接着の[[wikipedia:JA:デスモゾーム|デスモゾーム]]に結合し、細胞の構造的補強を行っている。

;神経での特徴
:　３つの異なるサブユニットが重合し、フィラメント間に多くの架橋構造を形成するのが特徴的である。H鎖はリン酸化のターゲット分子であり神経細胞では[[軸索]]の遠位部で強く[[リン酸化]]されていて、リン酸化抗体は軸索のマーカー分子として使われる。細胞の構造的補強以外の機能は諸説ある。

== アクチンフィラメント（微細線維、マイクロフィラメント） ==

;線維のサイズ:直径6nm

;線維の特徴:極性あり。細胞膜についているほうが、＋端。

;構成成分:アクチン(45kd)

;重合脱重合
:　アクチンはモノマーをG-アクチン、ポリマーをF-アクチンといい、ATP型のG-アクチンは、K+, Mg2+存在下　２量体、３量体を形成する。さらにG-アクチンは、アクチンフィラメントの＋端に結合し、ゆっくりとATPの加水分解を起こす。その結果フィラメント内のアクチンはADP型のF-アクチンということになる。チュブリンと同様でATPの加水分解は線維の伸長には必要ではない。重合したF-アクチンは、サブユニットがらせん状にピッチ13.5個並んだ二重らせんを形成する。

;結合・関連タンパク質
:　アクチンの研究は筋の研究からはじまり歴史が長く、対象生物も酵母、粘菌からヒトまで幅広いため、関係する蛋白を網羅するのは難しい。そこで、アクチンが主に作用する幾つかの良く研究されている細胞内の事象に関連するタンパク質を概説する。
:;（アクチンフィラメント端での重合脱重合）
::プロフィリンは12-15 kDのアクチンモノマー結合タンパク質。単量体アクチンのADP-ATP交換反応を加速する。プロフィリンはアクチン伸長を助けるが、アクチン重合核の形成に対しては阻害的に働く。一方ADF/コフィリンは、アクチン繊維を切断・脱重合する活性をもつ20 kDaのアクチン結合タンパク質である。ADP結合型のアクチンに対してより高い親和性を持ち、古いアクチン線維を切断・脱重合すると考えられている。
:;【キャッピングタンパク質】
::このタンパク質がアクチンフィラメントの端につくと、重合も脱重合もしない安定なフィラメントを形成する。
:;《微絨毛》
::小腸上皮細胞の頂部にある突起。この中には突起先端を＋端としたアクチンフィラメントの束がある。これを束ねる架橋形成タンパク質にビリンやフィンブリンなどがあり、アクチンの束と細胞膜の間にはミオシンIが豊富である。
:;4.移動細胞におけるラメリポディア
::Arp2/3複合体は、二つのアクチン関連タンパク質 (actin-related protein) Arp2とArp3を含むヘテロ七量体のタンパク質複合体である。枝分かれしたアクチン繊維を形成することができる。これらはさらにWASPやracにより制御されている。
:;5.アクチンの重合によるリステリア菌の細胞内移動
::この菌は侵入した細胞内で、菌の一方の端（後ろ）にActAを用いてアクチンフィラメントを重合させ, その反作用で前に進む。この時PIP2とPIP3 が必要である。
:;6.細胞膜の裏打ち
::ERMタンパク質　エズリン、ラディキシン、モエシン　はN末にBand4.1 様のドメインFERMがあり、膜と結合する。一方、C末はアクチン線維と結合する。
:;7.細胞接着
::ラミニンなどと結合したインテグリンは一時的にタリン、ビンクリンを介してアクチン細胞骨格を制御する。カドヘリンは細胞間の接着に役割を果たすが、細胞内ではαβカテニンを介してアクチン細胞骨格に結合する。
:;8.アクチンフィラメント上のモーター分子
::ミオシン：ATPを加水分解し、アクチンフィラメントの上を移動する。骨格筋のミオシンはミオシンIIである。、ミオシンIは尾部が短い。ミオシンV は神経細胞にも豊富だが、その機能としては細胞内のメラニン顆粒の分布の制御が明らかである。

;細胞内分布と機能
:　細胞膜と強く関連し、細胞運動や移動で重要な役割を果たす。一般的細胞では細胞膜直下に多く、細胞膜が分化した構造、[[wikipedia:JA:微絨毛|微絨毛]]や接着結合、分裂時の[[wikipedia:JA:収縮輪|収縮輪]]等に多く、培養細胞の[[wikipedia:JA:ストレスファイバー|ストレスファイバー]]の主成分である。

;神経細胞での特徴
:　神経細胞では細胞膜直下のほか、樹状突起の[[スパイン]]や、[[シナプス後肥厚]] 、[[ランヴィエの絞輪]]、[[成長円錐]]に多い。 

== 参考文献 ==

1.'''Manfred Schliwa''' 
''The cytoskeleton an introductory survey ''　1986 
Springer-Verlag /Wien 

2.'''Jonathon Howard''' 
''Mechanics of Motor Proteins and the cytoskeleton ''　2001 
Sinauer Associates,Inc /Sunderland Massachusetts 

3.'''Bruce Alberts et al.''' 
''Molecular Biology of the Cell ''　5th ed 2008 
Garland Publishing,Inc /NewYork 

4.'''Alan Peters, Sanford L. Palay, Henry DEF''' 
''Webster The fine structure of the nervous system　'' 3rd ed 1991 
Oxford University Press. 

（執筆者：中田隆夫　担当編集委員：河西春郎）

細胞骨格

2012-06-06T07:45:12Z

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細胞骨格

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細胞骨格

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2012-05-28T01:21:36Z

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2012-04-18T06:37:15Z

Takaonakata:

英：cytoskeleton

 

== '''概要''' ==

真核細胞質内の蛋白性の線維状の構造で、微小管(microtubules)、中間径フィラメント(intermediate filaments)、アクチンフィラメント(actin filaments)の三種類とその結合蛋白からなる。近年、原核細胞にもこれらに相同性のある蛋白質が見つかっている。

 

== '''歴史''' ==

細胞骨格蛋白の研究は、常に形態学的研究の進展とともにあった。真核細胞の細胞質にはトライトン（Triton）不溶性の線維構造があると分かり、これが“細胞骨格”分画と呼ばれ、電子顕微鏡等による研究が行われるようになった。生物電子顕微鏡のパイオニアであり細胞生物学の創始者のひとりであるK.Porterは臨界点乾燥法を用いて細胞質には複雑な網目状の構造microtrabecula構造があるとした。現在はこの説は退けられているが、細胞質内の蛋白性の線維は、微小管（直径25nm）、中間径フィラメント(10nm)、微細線維（マイクロフィラメント）(6nm) の三種類に分類されている。微細線維（マイクロフィラメント）にはミオシン頭部が結合するので、これが筋肉で研究されてきたアクチンフィラメントに相当するものであることが分かった（注意深い議論をする場合は、その成分がアクチンであると証明されるまでは、マイクロフィラメントmicrofilamentsという呼称を用いる）。一方、ミオシン頭部が全く結合しない中間径フィラメントが別に存在することが確立した。また、1970年代以降、抗体を用いた蛍光抗体光学顕微鏡法は、細胞骨格蛋白の細胞内の３次元構築を明らかにした。1980年代、急速凍結ディープエッチ法は電子顕微鏡レベルで細胞骨格の三次元的構成を示した。生化学的研究の進展は、その構成蛋白および関連蛋白を明らかにし、それら線維の重合脱重を試験管内で再現した。これに対応し、蛍光（GFPを含む）標識した構成蛋白とビデオ顕微鏡を用いて生細胞内での細胞骨格成分の動態が観察できるようになった。ビデオ顕微鏡は、この分野の大きな進展である軸索輸送のモーター分子であるキネシンの発見(1985)をもたらした。昔から知られてきたミオシンとダイニンについても、新たな類縁蛋白群が発見された。このモーター分子のアッセイや細胞骨格の重合脱重合のメカニズムの研究に、一分子イメージングなど光学顕微鏡技術の進展が大きく寄与している。

 

== '''細胞骨格の機能''' ==

細胞の構造を内部から補強する将に“細胞の骨格”としての役割の他、細胞の形態形成、分裂、運動、極性、小胞輸送など様々な細胞内の機能を果たすと考えられている。異なる線維間の相互作用についても古くから興味を持たれてきたが、未解明の点も多い。以下、３線維の特徴を比較するが、それぞれの線維については、各項を参照されたい。

 

----
=== 微小管（微細管）===
----
;線維のサイズ:直径25nm
;線維の特徴:中空の管状の線維。極性あり（重合の早い側がプラス）
;構成成分:GTP結合蛋白であるチュブリン(tubulin)α、βの２量体(50kd)
;結合・関連蛋白:タウtauは遺伝性アルツハイマー病の原因遺伝子の1つである。MAP2は樹状突起と細胞体のマーカーとなる。微小管の上を走るモーター分子にキネシン、ダイニンおよびその類縁蛋白がある。
;細胞内分布と機能:一般的な細胞では、中心体から放射状に細胞質全体に放射するほか、精子の鞭毛や、分裂細胞の紡錘糸の主要成分である。
;神経細胞での特徴:軸索や樹状突起の中心部分を何本かの束をつくって突起に平行に走行し、微小管上のモーター分子キネシンやダイニンによるオルガネラや小胞輸送のためのレールの役割を果たしている。軸索輸送に重要な役割を果たす。
;その他:中空なのでこの中を何かが運ばれるという考えが脳科学の啓蒙書にあるが、根拠が少ない。注意すべきは、一般の神経細胞では微小管は細胞膜直下には殆どない点である。

 

----
=== 中間径フィラメント ===
----
;線維のサイズ:直径10nm
;線維の特徴:極性がない。
;構成成分:細胞の種類によって蛋白の種類が異なる細胞骨格蛋白質(40-180kD)。非神経では、keratin, vimentin, desmin,glial filamentなどが構成成分となっているが、神経では、幹細胞ではnestin, 発生の段階でinternexin、その後neurofilament H, M, Lが発現する。
;重合脱重合:他の線維に比べ、安定である。
;細胞内分布:上皮細胞では細胞間接着のデスモゾームに結合し、細胞の構造的補強を行っている。
;神経での特徴:３つの異なるサブユニットが重合し、フィラメント間に多くの架橋構造を形成するのが特徴的である。H鎖はリン酸化のターゲット分子であり神経細胞では軸索の遠位部で強くリン酸化されていて、リン酸化抗体は軸索のマーカー分子として使われる。細胞の構造的補強以外の機能は不明である。

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=== アクチンフィラメント（微細繊維、マイクロフィラメント） ===
----
;線維のサイズ:直径7nm
;線維の特徴:極性あり。細胞膜についているほうが、プラス端。
;構成成分:アクチン(45kd)
;結合・関連蛋白:ミオシンを始め、数多い。
;細胞内分布と機能:細胞膜と強く関連し、細胞運動で重要な役割を果たす。一般的細胞では細胞膜直下に多く、細胞膜が分化した構造、微絨毛や接着結合, 分裂時の収縮輪等に多く、培養細胞のストレスファイバーの主成分である。
;神経細胞での特徴:神経細胞では細胞膜直下のほか、樹状突起のスパインや、PSD(post synaptic density) 、ランヴィエの絞輪、成長円錐に多い 

 

== '''参考文献''' ==

1.'''Manfred Schliwa''' 
''The cytoskeleton an introductory survey 1986 '' 
Springer-Verlag /Wien 

2.'''Jonathon Howard''' 
''Mechanics of Motor Proteins and the cytoskeleton 2001'' 
Sinauer Associates,Inc /Sunderland Massachusetts 

3.'''Bruce Alberts et al.''' 
''Molecular Biology of the Cell '' 
Garland Publishing,Inc /NewYork　CF 4th ed 2002 

4.'''Alan Peters, Sanford L. Palay, Henry DEF''' 
''Webster The fine structure of the nervous system　'' 
Oxford University Press. 3rd ed 1991 

 
（執筆者：中田隆夫、担当編集委員：河西春郎）

細胞骨格

2012-04-18T02:55:58Z

Takaonakata:

英：cytoskeleton

 

== '''概要''' ==

真核細胞質内の蛋白性の線維状の構造で、微小管(microtubules)、中間径フィラメント(intermediate filaments)、アクチンフィラメント(actin filaments)の三種類とその結合蛋白からなる。近年、原核細胞にもこれらに相同性のある蛋白質が見つかっている。

 

== '''歴史''' ==

細胞骨格蛋白の研究は、常に形態学的研究の進展とともにあった。真核細胞の細胞質にはトライトン（Triton）不溶性の線維構造があると分かり、これが“細胞骨格”分画と呼ばれ、電子顕微鏡等による研究が行われるようになった。生物電子顕微鏡のパイオニアであり細胞生物学の創始者のひとりであるK.Porterは臨界点乾燥法を用いて細胞質には複雑な網目状の構造microtrabeculaがあるとした。現在はこの説は退けられているが、細胞質内の蛋白性の線維は、微小管（直径25nm）、中間径フィラメント(10nm)、微細線維（マイクロフィラメント）(6nm) の三種類に分類されている。微細線維（マイクロフィラメント）にはミオシン頭部が結合するので、これが筋肉で研究されてきたアクチンフィラメントに相当するものであることが分かった（注意深い議論をする場合は、その成分がアクチンであると証明されるまでは、マイクロフィラメントmicrofilamentsという呼称を用いる）。一方、ミオシン頭部が全く結合しない中間径フィラメントが別に存在することが確立した。また、1970年代以降、抗体を用いた蛍光抗体光学顕微鏡法は、細胞骨格蛋白の細胞内の３次元構築を明らかにした。1980年代、急速凍結ディープエッチ法は電子顕微鏡レベルで細胞骨格の三次元的構成を示した。生化学的研究の進展は、その構成蛋白および関連蛋白を明らかにし、それら線維の重合脱重を試験管内で再現した。これに対応し、蛍光（GFPを含む）標識した構成蛋白とビデオ顕微鏡を用いて生細胞内での細胞骨格成分の動態が観察できるようになった。ビデオ顕微鏡は、この分野の大きな進展である軸索輸送のモーター分子であるキネシンの発見(1985)をもたらした。昔から知られてきたミオシンとダイニンについても、新たな類縁蛋白群が発見された。このモーター分子のアッセイや細胞骨格の重合脱重合のメカニズムの研究に、一分子イメージングなど光学顕微鏡技術の進展が大きく寄与している。

 

== '''細胞骨格の機能''' ==

細胞の構造を内部から補強する将に“細胞の骨格”としての役割の他、細胞の形態形成、分裂、運動、極性、小胞輸送など様々な細胞内の機能を果たすと考えられている。異なる線維間の相互作用についても古くから興味を持たれてきたが、未解明の点も多い。以下、３線維の特徴を比較するが、それぞれの線維については、各項を参照されたい。

 

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=== 微小管（微細管）===
----
;線維のサイズ:直径25nm
;線維の特徴:中空の管状の線維。極性あり（重合の早い側がプラス）
;構成成分:GTP結合蛋白であるチュブリン(tubulin)α、βの２量体(50kd)
;結合・関連蛋白:タウtauは遺伝性アルツハイマー病の原因遺伝子の1つである。MAP2は樹状突起と細胞体のマーカーとなる。微小管の上を走るモーター分子にキネシン、ダイニンおよびその類縁蛋白がある。
;細胞内分布と機能:一般的な細胞では、中心体から放射状に細胞質全体に放射するほか、精子の鞭毛や、分裂細胞の紡錘糸の主要成分である。
;神経細胞での特徴:軸索や樹状突起の中心部分を何本かの束をつくって突起に平行に走行し、微小管上のモーター分子キネシンやダイニンによるオルガネラや小胞輸送のためのレールの役割を果たしている。軸索輸送に重要な役割を果たす。
;その他:中空なのでこの中を何かが運ばれるという考えが脳科学の啓蒙書にあるが、根拠が少ない。注意すべきは、一般の神経細胞では微小管は細胞膜直下には殆どない点である。

 

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=== 中間径フィラメント ===
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;線維のサイズ:直径10nm
;線維の特徴:極性がない。
;構成成分:細胞の種類によって蛋白の種類が異なる細胞骨格蛋白質(40-180kD)。非神経では、keratin, vimentin, desmin,glial filamentなどが構成成分となっているが、神経では、幹細胞ではnestin, 発生の段階でinternexin、その後neurofilament H, M, Lが発現する。
;重合脱重合:他の線維に比べ、安定である。
;細胞内分布:上皮細胞では細胞間接着のデスモゾームに結合し、細胞の構造的補強を行っている。
;神経での特徴:３つの異なるサブユニットが重合し、フィラメント間に多くの架橋構造を形成するのが特徴的である。H鎖はリン酸化のターゲット分子であり神経細胞では軸索の遠位部で強くリン酸化されていて、リン酸化抗体は軸索のマーカー分子として使われる。細胞の構造的補強以外の機能は不明である。

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=== アクチンフィラメント（微細繊維、マイクロフィラメント） ===
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;線維のサイズ:直径7nm
;線維の特徴:極性あり。細胞膜についているほうが、プラス端。
;構成成分:アクチン(45kd)
;結合・関連蛋白:ミオシンを始め、数多い。
;細胞内分布と機能:細胞膜と強く関連し、細胞運動で重要な役割を果たす。一般的細胞では細胞膜直下に多く、細胞膜が分化した構造、微絨毛や接着結合, 分裂時の収縮輪等に多く、培養細胞のストレスファイバーの主成分である。
;神経細胞での特徴:神経細胞では細胞膜直下のほか、樹状突起のスパインや、PSD(post synaptic density) 、ランヴィエの絞輪、成長円錐に多い 

 

== '''参考文献''' ==

1.'''Manfred Schliwa''' 
''The cytoskeleton an introductory survey 1986 '' 
Springer-Verlag /Wien 

2.'''Jonathon Howard''' 
''Mechanics of Motor Proteins and the cytoskeleton 2001'' 
Sinauer Associates,Inc /Sunderland Massachusetts 

3.'''Bruce Alberts et al.''' 
''Molecular Biology of the Cell '' 
Garland Publishing,Inc /NewYork　CF 4th ed 2002 

4.'''Alan Peters, Sanford L. Palay, Henry DEF''' 
''Webster The fine structure of the nervous system'' 
Oxford University Press. 3rd ed 1991 

 
（執筆者：中田隆夫、担当編集委員：河西春郎）