「微小管」の版間の差分

DOI XXXX/XXXX　原稿受付日：2013年10月31日　原稿完成日：2013年月日<br>

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　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。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。

　Tubulinの横方向の結合は一定のずれを持っているため、円筒内では同種のサブユニットが螺旋状に並ぶことになる。13本のプロトフィラメントからなる微小管の場合、この螺旋を1周すると異種のサブユニットに行き着く。この境目はseamと呼ばれ、微小管上にseam lineとして観察される<ref><pubmed> 7806574 </pubmed></ref>。

　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。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。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。

　MTOCで直接的に微小管の重合開始を担うのはγ-tubulinである<ref><pubmed> 21993292</pubmed></ref>。γ-tubulinは、γ-TuSCというタンパク質複合体を形成して機能する。酵母などではこれが実際の微小管重合核となる。一方、哺乳類を含む多くの真核生物では、γ-TuSCにさらに多くのタンパク質が加わったγ-TuRCを形成する。MTOC以外にも微小管の重合開始点が存在することが知られており、多くの場合、中心体と同様γ-tubulinが重合開始を担っていると考えられている<ref><pubmed> 17245416</pubmed></ref>。

　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。

===細胞内物質輸送===

後期：後期促進複合体（Anaphase Promoting Complex: APC）の活性化により、複製された染色体をつないでいたコヒーシンが分解され、染色体が紡錘体極に向かって引っ張られる。この染色体の移動は、動原体微小管がプラス端から短縮することにより行われる。さらに、双極性のkinesin-5が極微小管の重なり合った部分で働くことで、紡錘体極の間隔が広げられる。

　ダブレット微小管には細胞質ダイニンとは異なるダイニン（軸糸ダイニン）が結合している。隣接するダブレット微小管の間を軸糸ダイニンが移動することによって生じる微小管の「滑り」が繊毛や鞭毛の波打ち運動を起こしていると考えられる<ref><pubmed> 20145000</pubmed></ref>。

==翻訳後修飾==

 

　微小管はいくつか特徴的な翻訳後修飾を受ける。これらの修飾は、結合タンパク質やモータータンパク質の微小管に対する結合能を変化させるなどして、微小管の機能や安定性、構造に大きな影響を及ぼす<ref><pubmed> 22086369</pubmed></ref>。

===C末端の脱チロシン化および再チロシン化===

 

　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>。

　前述したように、軸索と樹状突起では結合タンパク質の分布が異なり、例えばtauは軸索に、MAP2は樹状突起にほぼ特異的に存在している<ref><pubmed> 15642108</pubmed></ref>。また、MAP1Aが成熟したニューロンに発現し、樹状突起に多く存在する一方で、MAP1Bは発生初期の段階で高発現し、伸長中の軸索、特に成長円錐に集積している<ref><pubmed> 16938900</pubmed></ref>。これらのMAPsは、微小管の安定化や他のタンパク質との結合を調節することにより、微小管の機能を制御していると考えられる。