細胞骨格

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。

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。

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

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

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

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

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

（執筆者：中田隆夫、担当編集委員：河西春郎）