「微小管」の版間の差分

微小管(microtubule)は、真核生物における主要な細胞骨格の一つである。チュブリンのヘテロダイマーを基本構成単位とする中空の円筒状線維で、外径は約25nm。重合と脱重合を繰り返す非常に動的な構造物で、細胞の形態維持や変化、細胞分裂、細胞内物質輸送、鞭毛や繊毛の運動等の多様な細胞機能に重要な役割を果たしている。さまざまなタンパク質と結合したり、翻訳後修飾を受けたりすることにより、その構造や動態が調節され、多様な機能を発揮する。

　2種の[[チュブリン]](tubulin)サブユニット、すなわちα-tubulinとβ-tubulinそれぞれ1分子ずつからなるヘテロダイマーが基本構成単位である。サブユニットが縦方向に連結しているダイマーを考えると、同種のサブユニット間で横方向に円を描くように、異種のサブユニット間で縦方向に直鎖状に結合することにより、円筒形を形成する（図A）。縦方向の直鎖はプロトフィラメントと呼ばれ、通常細胞内では1本の円筒は13本のプロトフィラメントからなり、外径は約25nmである。

　微小管のプロトフィラメントはαβヘテロダイマーが決まった方向性を持って重合してできているため、微小管は極性を持つ。βサブユニットが位置している末端の方が重合・脱重合の速度が大きく、プラス端と呼ばれる（図A）。反対側はマイナス端である。TubulinはGTP結合型またはGDP結合型をとるGTPaseであり、βサブユニットに結合しているGTPは微小管に組み込まれるとじきに加水分解されGDPとなる。GDP結合型の末端は、GTP結合型の末端と比べて脱重合しやすい（tubulin濃度が高くても脱重合してしまう）ため、微小管末端のtubulinがGTP結合型かGDP結合型かは微小管の動態に重要である<ref><pubmed> 9442869</pubmed></ref>。

　微小管のプラス端は常に伸長と退縮を繰り返しており、伸長から短縮への相の変化をcatastrophe、短縮から伸長への変化をrescueという（図B）。この性質は動的不安定性（dynamic instability）と呼ばれ、微小管動態の重要な特徴である<ref><pubmed> 6504138 </pubmed></ref>。動的不安定性のおかげで、例えば細胞分裂時にクロモソームを微小管の先端で捉えることが可能になる。このように微小管の動態制御は生命現象に非常に重要であるため、catastropheとrescueは多くの微小管結合タンパク質により調節されている<ref><pubmed> 19754441</pubmed></ref>。試験管内ではマイナス端も動的不安定性を示すが、細胞内では結合タンパク質により安定化されている<ref><pubmed> 18322465</pubmed></ref>。

　試験管内ではtubulinを高濃度にすることにより、核となる微小管の無いところから重合が起こるが、細胞内のtubulin濃度は低くそのような重合は起こらない。そこで、細胞内には微小管形成中心（microtubule organizing center; MTOC）という重合核が存在する。多くの細胞では[[中心体]]（centrosome）がMTOCとして働き、細胞の微小管ネットワークの中心となっている。繊毛や鞭毛では基底小体がMTOCとして働いている。

　これまでに数多くの微小管に結合するタンパク質が発見されており、その機能は多岐にわたっている。古典的MAP（Microtubule Associating Protein）もしくは構造的MAPに属するTauや[[MAP2]]は微小管を安定化させることにより動態を変化させる<ref><pubmed> 16938900</pubmed></ref><ref><pubmed> 15642108</pubmed></ref>。微小管のプラス端に結合するものは+TIPsと総称される<ref><pubmed> 15661518</pubmed></ref>。+TIPsには、重合を促進するもの（例：XMAP215）、重合を阻害するもの（例：CLASP）、脱重合を促進するもの（例：Kinesin-13）、膜や細胞骨格など他の構造と微小管との連結をするもの（例:EB1）等がある。マイナス端に結合するタンパク質には、γ-tubulinの他にnineinやNezha/Patroninなどがあり、脱重合を防いだり重合開始点を特定の部位に局在化したりしている<ref><pubmed> 23169647</pubmed></ref><ref><pubmed> 20946984</pubmed></ref>。KataninやSpastinのように微小管を切断する微小管結合タンパク質もある<ref><pubmed> 19963362</pubmed></ref>。StathminやSCG10は重合していないtubulinダイマーと結合し隔離することにより、微小管の脱重合を促進する<ref><pubmed> 15216892</pubmed></ref>。

　キネシンスーパーファミリー([[Kinesin]] superfamily proteins: KIFs)は保存されたcore domainを持ち、ATPを消費して構造変化を起こす一群のタンパク質である。その多くは微小管上をプラス端に向かって移動するモーターとして機能するが、前出したKinesin-13のように、微小管の脱重合を促進する働きを持つものも存在する。詳しくはキネシンの項目を参照されたい。ダイニン(Dynein)も同様にATPを消費するタンパク質複合体で、こちらはもっぱらモータータンパク質として働く。小胞輸送など細胞内での物質輸送や[[有糸分裂]]などに働く細胞質ダイニン1（cytoplasmic dynein 1）、鞭毛・繊毛内の逆行輸送に働く細胞質ダイニン2（cytoplasmic dynein 2）、そして繊毛や鞭毛の運動に関わる軸糸ダイニン（axonemal dynein）に分けられる。詳しくはダイニンの項目を参照されたい。

　α-tubulinのC末端のチロシンは除去と付加を繰り返し受けている。チロシンが除去された状態で起こる脱[[グルタミン酸]]（Δ2 tubulinを生成する）は不可逆的である。

　[[アセチル化]]は主に安定化した微小管に見出される。しかし、アセチル化により微小管構造が安定化されるわけではない。α-tubulin のLys40が主要なアセチル化部位と考えられているが、他のアセチル化部位も同定されている。

　軸索内に存在する微小管は向きが揃っており、プラス端は先端に存在する<ref><pubmed> 19660553</pubmed></ref>。これは、プラス端に向かって動く微小管モーターであるキネシンによって、非常に長い突起の先端に効率よく物質を運ぶために有利だと考えられる。伸長している軸索の細胞体に近い方に存在する微小管は安定で寿命が長く、脱チロシン化かつアセチル化されたtubulinで構成されている。先端部に行くほど微小管はより動的で、チロシン化されているがアセチル化を受けていないtubulinに富んでいる<ref><pubmed> 20541813</pubmed></ref>。特に[[成長円錐]]（growth cone）では微小管は非常に動的で形態も複雑である<ref><pubmed> 19377501</pubmed></ref>。

　樹状突起では、近位部では異なる向きの微小管が混在し、総体としてみると極性の無い状態になっている。一方、遠位部では先端にプラス端を向けた極性を持っている<ref><pubmed> 19660553</pubmed></ref>。[[ショウジョウバエ]]のニューロンでは、樹状突起の分岐点に存在する[[ゴルジ体]]（Golgi outpostと呼ばれる）から微小管が伸長し、樹状突起の形態形成に重要な役割を果たしていることが明らかになっている<ref><pubmed> 23217741</pubmed></ref>。哺乳類のニューロンにおいても樹状突起の分岐点にGolgi outpostが見つかっているが、そこから微小管の伸長が起こるかは検討されていない<ref><pubmed> 16337914</pubmed></ref>。また、以前は樹状突起の棘突起(spine)には微小管は存在しないと考えられていたが、近年の研究で棘突起内に非常に動的な微小管が存在することが明らかになり、棘突起形成に関与していることが示されている。

　Tubulinの変異が原因となって起こる病気が多数報告されており、その症状は脳の発達や神経の形態に異常を来すものがほとんどである。例えば、''TUBA1A''の変異では小頭症や滑脳症が引き起こされる。''TUBB2B''の変異では小頭症や多少脳回症の報告がある。また、脳梁や小脳の形成不全が''TUBA1A''と''TUBB2B''の変異によって引き起こされる。''TUBB3''は先天性外眼筋線維症（CFEOM3）の原因遺伝子として同定されている一方、CFEOM3の症状を呈さずに脳回の形成異常を引き起こす変異も見つかっている。これまで同定されているtubulinの変異の多くは、ヌクレオチドとの結合部位、長軸方向・側方向のtubulin同士の結合部位、微小管結合タンパク質やモータータンパク質との結合部位などに見出されている。