スペクトリン

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スペクトリン Spectrin 関連語：α-spectrin、alpha-spectrin、β-spectrin、beta-spectrin

山ノ井 俊宏1、吉村 武2 1 大阪大学大学院 連合小児発達学研究科 分子生物遺伝学研究領域 2 鳥取大学 医学部保健学科 検査技術科学専攻 生体制御学講座

要約 Spectrin（スペクトリン）は細胞骨格タンパク質であり、さまざまな組織で発現している。脳において、spectrinは神経細胞における情報出力のトリガーである軸索起始部の主要な構成要素であり、イオンチャネルなどを軸索起始部に集積させる足場タンパク質ankyrin（アンキリン）とともに骨格構造を形成する。Spectrinの遺伝子変異は血液疾患や精神・神経疾患、神経発達症に関与することが知られている。

Spectrinとは 1968年、溶血によって細胞内成分を失った赤血球（赤血球ゴースト）から同定されたタンパク質は、幽霊（specter）にちなんで spectrin（スペクトリン）と名付けられた[1][1]（図1）。1979年、spectrinと結合し、赤血球の膜裏打ち骨格（膜骨格）を形成するタンパク質が発見され、ankyrin（アンキリン）と名付けられた[2][2]。1981年、非赤血球系培養細胞においてspectrin様タンパク質が存在することが報告された[3][3]。1982年、赤血球spectrinと免疫反応性を示す分子が脳内で発見され、神経系におけるspectrinの存在が示唆された[4][4]。これらの発見を契機に、脳におけるspectrinの機能が注目されるようになった。

Spectrinの種類と発現 Spectrinはスペクトリンリピートと呼ばれる特徴的な繰り返し配列を有する[5][5][6][6]。Spectrinにはα-spectrinとβ-spectrinが存在する。ヒトを含む哺乳類には２種類のα-spectrin（約280 kDa）と５種類のβ-spectrin（約250-290 kDa、βVを除く）が発現している。ヒト遺伝子において、SPTA1とSPTAN1はそれぞれαI-spectrinとαII-spectrinタンパク質をコードし、SPTB、SPTBN1、SPTBN2、SPTBN4、SPTBN5はそれぞれβI-spectrin、βII-spectrin、βIII-spectrin、βIV-spectrin、βV-spectrinをコードする。線虫やショウジョウバエではspectrinの種類は少なく、α-spectrin、β-G-spectrin、β-H-spectrinがあり、それぞれ順に哺乳類のαII-spectrin、βII-spectrin、βV-spectrinに類似する[7][7][8][8]。また、Spectrinには多くのスプライシングバリアントが存在する。神経発達初期では長いβIV-spectrin（Σ1）の発現が優勢であるが、発達に伴い、アクチン結合領域を持たない短いβIV-spectrin（Σ6）の発現レベルが大きく上昇する[9][9]。しかし、個々のスプライシングバリアントの役割に関しては、いまだ不明な点が多い。 αI-spectrinは哺乳類の赤血球で発現する[10][10]。非赤血球型のαII-spectrinは脳を含む多くの組織に広く発現する[11][11]。βI-spectrinは赤血球や骨格筋、心筋に存在し、神経細胞では樹状突起領域およびシナプス後肥厚部に局在する[12][12][13][13][14][14]。βII-spectrinは発生期の骨格筋に発現しており、神経細胞では軸索に広く分布する[15][15][16][16]。βIII-spectrinは主に脳で高発現しているが、膵臓、腎臓、生殖器系組織、皮膚においても発現が認められる[14][14]。βIII-spectrinは小脳プルキンエ細胞では細胞体および樹状突起領域に存在し、樹状突起スパインに局在する[17][17][18][18]。βIV-spectrinの転写産物は脳および膵島で認められ、タンパク質は神経細胞において軸索起始部およびランヴィエ絞輪に集積している[19][19]。巨大βV-spectrinは小脳や脊髄、心臓、胃、光受容細胞などで発現しており、典型的なankyrin結合領域が十分に保存されていない[21][20][20][21]。そのため、他のβ-spectrinとは異なる様式で骨格構造を形成していると考えられている。

Spectrinが作る骨格構造とその役割 神経細胞ではspectrinとankyrinの組み合わせにより、軸索、軸索起始部、ランヴィエ絞輪などに領域特異的な膜骨格を形成する[22][22]。spectrinは２つのαサブユニットと２つのβサブユニットから構成されたヘテロ四量体を形成する[23][23][24][24]（図2）。Spectrin四量体の両端は環状に配置したアクチン（アクチンリング）と結合し、神経細胞の軸索に約190 nm周期の細胞骨格構造を形成する[25][25]。四量体を構成するspectrinの組み合わせは、軸索内の領域によって異なる。軸索の根元（軸索起始部）ではαII-spectrinとβIV-spectrinが四量体を形成し、足場タンパク質ankyrin-GはβIV-spectrinと結合して骨格構造を構築する[26][26][27][27][28]。Ankyrin-Gは電位依存性ナトリウムチャネルNav1やKCNQ2/3などのイオンチャネル、NF186やNrCAMなどの細胞接着分子と相互作用し、これらをαII-spectrin/βIV-spectrinからなる骨格構造へ連結することで、軸索起始部に集積させる[29][28][30][29]。この分子構造によって電位依存性ナトリウムチャネルなどが高密度に集積するため、活動電位の発生に寄与する[31][30]。軸索起始部以外の軸索遠位領域では、αII-spectrinはβII-spectrinと四量体を形成し、ankyrin-Bと共に骨格構造を構築する[16][16]。 中枢神経系において、オリゴデンドロサイトにより軸索に髄鞘が形成されると、spectrin骨格構造の再構築が起こる。隣接する髄鞘の間に位置するランヴィエ絞輪ではαII-spectrin、βIV-spectrinおよびankyrin-Gを中心として骨格構造が形成される[32][31][16][16]。この複合体からなる骨格構造が電位依存性ナトリウムチャネルなどをランヴィエ絞輪に集積させることで、跳躍伝導を可能にする[32][31][14][14]。一方、軸索と髄鞘の接合部であるパラノードでは、軸索側のCaspr–contactin複合体と髄鞘側のneurofascin-155との相互作用により、軸索髄鞘間結合であるパラノーダルジャンクションが形成される[33][32][34][33]。パラノードの軸索膜直下に局在するαII-spectrin/βII-spectrin骨格構造は膜タンパク質の側方拡散を制限する拡散障壁として機能する[35][34][36][8]。

Spectrinと疾患の関わり Spectrinは軸索起始部の細胞膜の裏打ち骨格の主要構成分子として膜タンパク質の局在維持に重要であるため、spectrinの変異は疾患に関与する。SPTA1（αI-spectrin）およびSPTB（βI-spectrin）の遺伝子変異は、遺伝性球状赤血球症の発症に関与する[37][35]。SPTAN1（αII-spectrin）の遺伝子変異は、乳児期の難治性てんかんであるWest症候群および発達性てんかん性脳症に加え、一部では小脳性運動失調や痙性対麻痺との関連が報告されている[38][36][39][37]。SPTBN1（βII-spectrin）の遺伝子変異は、自閉スペクトラム症および注意欠如・多動症（ADHD）、発達遅滞、知的発達症、てんかんとの関連が報告されている[14][14]。SPTBN2（βIII-spectrin）の遺伝子変異は脊髄小脳失調症との関連が報告されている[40][38]。SPTBN4（βIV-spectrin）の遺伝子変異は、重度の知的発達症や先天性筋緊張低下、運動神経の軸索障害を引き起こす[41][39]。SPTBN5（βV-spectrin）の遺伝子変異は、知的発達症や発達遅滞、てんかん発作を特徴とする症候群を引き起こす[42][40]。 自閉スペクトラム症やADHDといった神経発達症様行動を示すマウスおよびラットにおいて、軸索起始部の長さに異常が生じる[43][41]。この知見は、軸索起始部の骨格構造の変化が神経発達症に関連することを示している。Spectrinが正常に軸索起始部の骨格構造を形成・維持できなければ、神経細胞が正常に機能できないと考えられる。

関連項目

・細胞骨格 ・軸索 ・軸索起始部 ・ランヴィエ絞輪 ・髄鞘 ・細胞接着分子 ・自閉スペクトラム症 ・注意欠如・多動症（ADHD、注意欠如・多動性障害） ・神経発達症（発達障害） ・アンキリン

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図のタイトル 図1. 赤血球のspectrin膜骨格 図2. 軸索起始部におけるspectrin膜骨格と関連分子群

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