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カテニンは、細胞間接着の必須因子である接着分子カドヘリンの中のクラシックカドヘリンと複合体（カドヘリン・カテニン複合体）を形成するタンパク質の総称である。カドヘリン・カテニン複合体中のカテニンのうち、α–カテニンは細胞骨格との連結、β–カテニンはカドヘリンとα–カテニンとの結合を担っており、どちらもカドヘリンによる細胞接着に必須である。p120–カテニンはエンドサイトーシスを介してカドヘリンの発現量の調節を行っている。細胞接着とは別の働きとして、β–カテニンはWnt/β–カテニンシグナルにおいて重要な役割を果たし、遺伝子発現調節を行う。α–カテニンも増殖のシグナルを調節する因子として研究が進んでいる。カテニンは脳の形態形成、神経細胞の伸長、シナプス形成などにも重要な働きをしている。 | |||
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（イントロダクションを御願い致します） | （イントロダクションを御願い致します） | ||
カテニンは、クラシックカドヘリンの中のE–カドヘリンとの複合体の構成因子の総称である(図1)。接着間接着の必須分子であるE–カドヘリンの抗体を用いた免疫沈降反応でE–カドヘリンとともに共沈してくる複数のタンパク質がとれ、それらはE–カドヘリンの細胞質ドメインに 結合して複合体を形成していることが小沢らによって初めて示された<ref><pubmed> 2788574 </pubmed></ref>。カドヘリンはアクチンフィラメントを結合している細胞間接着装置、アドへレンス・ジャンクションの形成に必須な接着分子であり、カテニンはカドヘリンと細胞骨格アクチンフィラメントとの連結を担うものと予想され、ラテン語のcatena（chain）からカテニン（catenin）と命名された。このような背景からカテニンの機能解析は、主に細胞間接着に着目して進められてきた。カテニンはカドヘリンを介した十分な接着活性に必須であることが明らかにされ、細胞間接着における接着分子カドヘリンの制御因子としての重要性が提示されている<ref ><pubmed> 20164302 </pubmed></ref>。 | カテニンは、クラシックカドヘリンの中のE–カドヘリンとの複合体の構成因子の総称である(図1)。接着間接着の必須分子であるE–カドヘリンの抗体を用いた免疫沈降反応でE–カドヘリンとともに共沈してくる複数のタンパク質がとれ、それらはE–カドヘリンの細胞質ドメインに 結合して複合体を形成していることが小沢らによって初めて示された<ref><pubmed> 2788574 </pubmed></ref>。カドヘリンはアクチンフィラメントを結合している細胞間接着装置、アドへレンス・ジャンクションの形成に必須な接着分子であり、カテニンはカドヘリンと細胞骨格アクチンフィラメントとの連結を担うものと予想され、ラテン語のcatena（chain）からカテニン（catenin）と命名された。このような背景からカテニンの機能解析は、主に細胞間接着に着目して進められてきた。カテニンはカドヘリンを介した十分な接着活性に必須であることが明らかにされ、細胞間接着における接着分子カドヘリンの制御因子としての重要性が提示されている<ref><pubmed> 20164302 </pubmed></ref>。 | ||
カテニンの発現は、多くの組織で認められるものと組織特異的なものとがあり（表）、細胞レベルでは通常、カドヘリンと同様の分布を示す（以下の⌈発現⌋の項目を参照）。カテニンはカドヘリンの細胞質領域と結合してカドヘリン・カテニン複合体を作るが、カテニンが結合しうるカドヘリンはE–, N–, VE–カドヘリン等のクラッシックカドヘリンのみである<ref ><pubmed> 19401831 </pubmed></ref>。 | カテニンの発現は、多くの組織で認められるものと組織特異的なものとがあり（表）、細胞レベルでは通常、カドヘリンと同様の分布を示す（以下の⌈発現⌋の項目を参照）。カテニンはカドヘリンの細胞質領域と結合してカドヘリン・カテニン複合体を作るが、カテニンが結合しうるカドヘリンはE–, N–, VE–カドヘリン等のクラッシックカドヘリンのみである<ref><pubmed> 19401831 </pubmed></ref>。 | ||
β–カテニンとp120;–カテニンとに相当する分子は、上述した小沢らによるカテニン分子群の発見とは独立してほぼ同時に異なる研究者による異なる研究の中からも発見された経緯がある。ショウジョウバエのアルマジロ遺伝子は胚の体節形成に異常を示す変異体のスクリーニングから発見され、Wntシグナル伝達系の転写制御因子として核内においても機能することが知られていた。のちに哺乳類のカドヘリン・カテニン複合体中のβ–カテニンがアルマジロ遺伝子のオーソログであることが判明し、脊椎動物のβ–カテニンにも発生における遺伝子発現において重要な役割があることがわかった<ref><pubmed> 22617422 </pubmed></ref>。p120;–カテニンは、srcによる形質転換特異的にみられるチロシン残基のリン酸化をうける分子としてReynoldsらによって同定されており、アクチン細胞骨格動態への影響が見られていたこともあり、細胞/細胞外基質間接着との関連性についての解析も展開されていった<ref><pubmed> 17175391 </pubmed></ref>。そのような流れの中で、細胞接着だけでなく、発生・再生における遺伝子発現制御因子としての重要性が示されている（図2）。タンパクの一次構造レベルでは、β–カテニンとp120;–カテニンはアルマジロ反復配列を有するタンパクとして類似性を示し、その配列はさまざまな因子の結合領域として働く（図3）<ref ><pubmed> 20164302 </pubmed></ref>。このようにカテニン分子は細胞間接着という共通の機能を担う一方で、分子としての性質は多様であり、その性質が各々のカテニン分子の多機能性を生み出していると考えられている。 | β–カテニンとp120;–カテニンとに相当する分子は、上述した小沢らによるカテニン分子群の発見とは独立してほぼ同時に異なる研究者による異なる研究の中からも発見された経緯がある。ショウジョウバエのアルマジロ遺伝子は胚の体節形成に異常を示す変異体のスクリーニングから発見され、Wntシグナル伝達系の転写制御因子として核内においても機能することが知られていた。のちに哺乳類のカドヘリン・カテニン複合体中のβ–カテニンがアルマジロ遺伝子のオーソログであることが判明し、脊椎動物のβ–カテニンにも発生における遺伝子発現において重要な役割があることがわかった<ref><pubmed> 22617422 </pubmed></ref>。p120;–カテニンは、srcによる形質転換特異的にみられるチロシン残基のリン酸化をうける分子としてReynoldsらによって同定されており、アクチン細胞骨格動態への影響が見られていたこともあり、細胞/細胞外基質間接着との関連性についての解析も展開されていった<ref><pubmed> 17175391 </pubmed></ref>。そのような流れの中で、細胞接着だけでなく、発生・再生における遺伝子発現制御因子としての重要性が示されている（図2）。タンパクの一次構造レベルでは、β–カテニンとp120;–カテニンはアルマジロ反復配列を有するタンパクとして類似性を示し、その配列はさまざまな因子の結合領域として働く（図3）<ref><pubmed> 20164302 </pubmed></ref>。このようにカテニン分子は細胞間接着という共通の機能を担う一方で、分子としての性質は多様であり、その性質が各々のカテニン分子の多機能性を生み出していると考えられている。 | ||
==種類== | ==種類== | ||
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===構造=== | ===構造=== | ||
α–カテニンは、イントロダクションにあるようにβ－カテニンやγ－カテニンに共通してみられるアルマジロ反復配列をもたないといったタンパク一次構造レベルにおける他のカテニンとの類似性は持ち合わせていないことが特徴の一つとなる<ref ><pubmed> 22084304 </pubmed></ref>。アクチン結合タンパクであるビンキュリンと塩基配列において相同性（約30％程度）を示す３つの領域（VH1, VH2, VH3）を含んでいる<ref><pubmed> 1904011 </pubmed></ref>。最もN末に位置するVH1では、β－カテニンと結合し、VH3はアクチン繊維との結合に必要である。また、VH2には、ビンキュリンやアファディンといった他のアクチン結合タンパクとの結合、加えてビンキュリンの結合阻害領域も存在し、VH2の構造変化がVH2におけるタンパク結合の制御に重要であると示唆されている。α–カテニンの立体構造については、VH1やVH2といった断片についてはα–カテニン単体やビンキュリンとの結合状態などの条件において精度よいX線結晶構造解析が行われている<ref><pubmed> 23589308 </pubmed></ref>。全長についてはαE–カテニンやαN–カテニンどちらにおいても十分に高い分解能での結晶構造が得られていないものの、近年においても精力的に解析が続けられている<ref><pubmed> 23589308 </pubmed></ref>。全長の構造が理解できれば、α–カテニン分子全体としての構造変化の制御についての理解がより進むと期待される。 | α–カテニンは、イントロダクションにあるようにβ－カテニンやγ－カテニンに共通してみられるアルマジロ反復配列をもたないといったタンパク一次構造レベルにおける他のカテニンとの類似性は持ち合わせていないことが特徴の一つとなる<ref><pubmed> 22084304 </pubmed></ref>。アクチン結合タンパクであるビンキュリンと塩基配列において相同性（約30％程度）を示す３つの領域（VH1, VH2, VH3）を含んでいる<ref><pubmed> 1904011 </pubmed></ref>。最もN末に位置するVH1では、β－カテニンと結合し、VH3はアクチン繊維との結合に必要である。また、VH2には、ビンキュリンやアファディンといった他のアクチン結合タンパクとの結合、加えてビンキュリンの結合阻害領域も存在し、VH2の構造変化がVH2におけるタンパク結合の制御に重要であると示唆されている。α–カテニンの立体構造については、VH1やVH2といった断片についてはα–カテニン単体やビンキュリンとの結合状態などの条件において精度よいX線結晶構造解析が行われている<ref><pubmed> 23589308 </pubmed></ref>。全長についてはαE–カテニンやαN–カテニンどちらにおいても十分に高い分解能での結晶構造が得られていないものの、近年においても精力的に解析が続けられている<ref><pubmed> 23589308 </pubmed></ref>。全長の構造が理解できれば、α–カテニン分子全体としての構造変化の制御についての理解がより進むと期待される。 | ||
===発現=== | ===発現=== | ||
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α–カテニンはβ–カテニンとはN末端で結合し、C末端ではアクチン線維と結合する。このC末端のアクチン線維結合領域の重要性は、ショウジョウバエの形態形成<ref><pubmed> 23417122 </pubmed></ref>やマウスの発生<ref><pubmed> 9023354 </pubmed></ref>において示されている。α–カテニンはビンキュリン、エプリン、ZO–1、αアクチニンなどのアクチン結合タンパク質とも結合するので、それらの結合を介して間接的にアクチン線維を連結している可能性もある<ref><pubmed> 22084304 </pubmed></ref>。 | α–カテニンはβ–カテニンとはN末端で結合し、C末端ではアクチン線維と結合する。このC末端のアクチン線維結合領域の重要性は、ショウジョウバエの形態形成<ref><pubmed> 23417122 </pubmed></ref>やマウスの発生<ref><pubmed> 9023354 </pubmed></ref>において示されている。α–カテニンはビンキュリン、エプリン、ZO–1、αアクチニンなどのアクチン結合タンパク質とも結合するので、それらの結合を介して間接的にアクチン線維を連結している可能性もある<ref><pubmed> 22084304 </pubmed></ref>。 | ||
さらに、α–カテニンは、アドヘレンス・ジャンクションにおいて細胞間の張力を感知・伝達する分子であることが示され、動的なアドへレンス・ジャンクション形成に重要であると考えられる<ref ><pubmed> 20453849 </pubmed></ref>。 | さらに、α–カテニンは、アドヘレンス・ジャンクションにおいて細胞間の張力を感知・伝達する分子であることが示され、動的なアドへレンス・ジャンクション形成に重要であると考えられる<ref><pubmed> 20453849 </pubmed></ref>。 | ||
また、αE–カテニンは、細胞間接着の機能とは別に、細胞増殖を負に制御することが知られている。細胞増殖の接触阻止に対する調節に重要なHippoシグナル伝達においては、転写制御を通じて増殖を抑制する<ref><pubmed> 22075429 </pubmed></ref>。後述するように中枢神経系では、αN–カテニンが神経回路形成を担うシナプス形成や安定性に必要である。大脳皮質における細胞増殖、神経突起の伸長の制御を行っているという報告もある<ref><pubmed> 22535893 </pubmed></ref>。 | また、αE–カテニンは、細胞間接着の機能とは別に、細胞増殖を負に制御することが知られている。細胞増殖の接触阻止に対する調節に重要なHippoシグナル伝達においては、転写制御を通じて増殖を抑制する<ref><pubmed> 22075429 </pubmed></ref>。後述するように中枢神経系では、αN–カテニンが神経回路形成を担うシナプス形成や安定性に必要である。大脳皮質における細胞増殖、神経突起の伸長の制御を行っているという報告もある<ref><pubmed> 22535893 </pubmed></ref>。 | ||
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===機能=== | ===機能=== | ||
====p120–カテニン==== | ====p120–カテニン==== | ||
p120–カテニンは、カドヘリンとの結合を介してカドヘリンのエンドサイトーシスを 抑制し、細胞膜上のカドヘリン量を維持する。p120–カテニンのチロシンリン酸化はp120–カテニンのカドヘリンとの結合解除に寄与する。このカドヘリンのp120–カテニン結合領域内には、そのエンドサイトーシスシグナルが存在し、カドヘリンにp120–カテニンが結合することによって、そのシグナルがマスクされ、その結果としてカドヘリンは細胞内に取り込まれないようになっているという機構が近年示されている<ref><pubmed> 20371349 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 23071156 </pubmed></ref>。カドヘリンの接着活性がない大腸癌由来の細胞株を用いた解析からは、p120–カテニンはカドヘリンと結合することで接着活性を抑制する結合因子であることが示された<ref | p120–カテニンは、カドヘリンとの結合を介してカドヘリンのエンドサイトーシスを 抑制し、細胞膜上のカドヘリン量を維持する。p120–カテニンのチロシンリン酸化はp120–カテニンのカドヘリンとの結合解除に寄与する。このカドヘリンのp120–カテニン結合領域内には、そのエンドサイトーシスシグナルが存在し、カドヘリンにp120–カテニンが結合することによって、そのシグナルがマスクされ、その結果としてカドヘリンは細胞内に取り込まれないようになっているという機構が近年示されている<ref><pubmed> 20371349 </pubmed></ref> <ref><pubmed> 23071156 </pubmed></ref>。カドヘリンの接着活性がない大腸癌由来の細胞株を用いた解析からは、p120–カテニンはカドヘリンと結合することで接着活性を抑制する結合因子であることが示された<ref><pubmed> 10225956 </pubmed></ref>。カドヘリンの発現量の低下は悪性腫瘍組織でみられる特徴の一つあるが<ref><pubmed> 10647931 </pubmed></ref>、そのような腫瘍組織のいくつかの種類では、p120–カテニンが細胞膜に局在できないことによってカドヘリンのエンドサイトーシスが亢進されると解釈される<ref><pubmed> 12492499 </pubmed></ref>。 | ||
また、p120–カテニンは細胞膜直下のアクチン線維動態も制御している。p120–カテニンはアクチン細胞骨格動態の主要な制御因子である低分子量Gタンパク質RhoAと結合し、RhoAの活性化を抑制し、一方で糸状仮足や葉状仮足の発達につながる膜直下のアクチン細胞骨格の再編成に必要な他の低分子量Gタンパク質RacやCdc42を活性化することで、細胞接着形成の初期段階においてアクチン細胞骨格の再編成を促進すると考えられている<ref><pubmed>17194753</pubmed></ref>。細胞質におけるRhoAとの結合はp120–カテニンのリン酸化に依存している<ref><pubmed>17194753</pubmed></ref>が、先に述べたように、p120–カテニンのリン酸化の増加がカドヘリンの接着活性の低下に働くことを考えあわせると、p120–カテニンのリン酸化の制御は細胞接着と細胞運動の適切な均衡をとるという機構の一つになると考えられる。ラット海馬由来の培養神経細胞においても、上述したp120–カテニンのRhoA、Rac、そしてCdc42の活性制御を介してアクチン細胞骨格動態を活性化させ、神経樹状突起伸長の促進やシナプス可塑性の適切な制御に寄与している<ref ><pubmed> 17936606 </pubmed></ref>。 | また、p120–カテニンは細胞膜直下のアクチン線維動態も制御している。p120–カテニンはアクチン細胞骨格動態の主要な制御因子である低分子量Gタンパク質RhoAと結合し、RhoAの活性化を抑制し、一方で糸状仮足や葉状仮足の発達につながる膜直下のアクチン細胞骨格の再編成に必要な他の低分子量Gタンパク質RacやCdc42を活性化することで、細胞接着形成の初期段階においてアクチン細胞骨格の再編成を促進すると考えられている<ref><pubmed>17194753</pubmed></ref>。細胞質におけるRhoAとの結合はp120–カテニンのリン酸化に依存している<ref><pubmed>17194753</pubmed></ref>が、先に述べたように、p120–カテニンのリン酸化の増加がカドヘリンの接着活性の低下に働くことを考えあわせると、p120–カテニンのリン酸化の制御は細胞接着と細胞運動の適切な均衡をとるという機構の一つになると考えられる。ラット海馬由来の培養神経細胞においても、上述したp120–カテニンのRhoA、Rac、そしてCdc42の活性制御を介してアクチン細胞骨格動態を活性化させ、神経樹状突起伸長の促進やシナプス可塑性の適切な制御に寄与している<ref><pubmed> 17936606 </pubmed></ref>。 | ||
p120–カテニンは、PLEKHA7タンパク質、そして微小管マイナス端に局在するNezhaタンパク質を介してアドへレンス・ジャンクションへの微小管を繫ぎとめることが示されている<ref><pubmed> 19041755 </pubmed></ref>。また、アフリカツメガエル胚では、p120–カテニンが核内で転写抑制因子Kaisoと結合し、脊椎動物の形態形成に必須なWnt/PCPシグナル伝達系（Wnt/β–カテニンシグナル伝達系とは違うWntシグナル）のxWnt11の遺伝子発現を活性化することが示された<ref><pubmed> 15543138 </pubmed></ref>。しかし、p120–カテニンの核移行の分子機構（核移行の生理的な場合のトリガーの同定やp120–カテニンのリン酸化との関連など）やxWnt11以外の標的の遺伝子群についてはわかっていない点が多い<ref><pubmed> 22583808 </pubmed></ref>。 | p120–カテニンは、PLEKHA7タンパク質、そして微小管マイナス端に局在するNezhaタンパク質を介してアドへレンス・ジャンクションへの微小管を繫ぎとめることが示されている<ref><pubmed> 19041755 </pubmed></ref>。また、アフリカツメガエル胚では、p120–カテニンが核内で転写抑制因子Kaisoと結合し、脊椎動物の形態形成に必須なWnt/PCPシグナル伝達系（Wnt/β–カテニンシグナル伝達系とは違うWntシグナル）のxWnt11の遺伝子発現を活性化することが示された<ref><pubmed> 15543138 </pubmed></ref>。しかし、p120–カテニンの核移行の分子機構（核移行の生理的な場合のトリガーの同定やp120–カテニンのリン酸化との関連など）やxWnt11以外の標的の遺伝子群についてはわかっていない点が多い<ref><pubmed> 22583808 </pubmed></ref>。 | ||
====δ–カテニン==== | ====δ–カテニン==== | ||
マウスの脳組織における免疫沈降実験から、δ–カテニンはN–カドヘリンとβ–カテニンと結合することが確認され、樹状突起のシナプスに強く観察される。シナプスにおいてカドヘリン・カテニン複合体の一員として機能することが予想される<ref ><pubmed> 9971746 </pubmed></ref>。また、ラット神経組織の初代培養細胞では、δ–カテニンはGSK3β、β–カテニンと複合体を形成し、β–カテニンの分解を促進させる機能も有する<ref><pubmed> 20623542 </pubmed></ref>。 また、シナプス後方細胞では、グルタミン酸受容体結合タンパクGRIPやシナプスシナプス後部肥厚部分に局在化するPDS–95との結合が報告されているが、成熟したシナプスにおいてのみδ–カテニンはそれらと局在化する。一方で、シナプスの形成初期では、δ–カテニンの代わりにp120–カテニンがシナプス構造部分に局在する。このようにシナプスの形成過程の中で時期特異的に異なるカテニンが働いて、シグナル伝達の制御をしうる成熟したシナプスが構築されると考えられる<ref><pubmed> 15752981 </pubmed></ref>。 | マウスの脳組織における免疫沈降実験から、δ–カテニンはN–カドヘリンとβ–カテニンと結合することが確認され、樹状突起のシナプスに強く観察される。シナプスにおいてカドヘリン・カテニン複合体の一員として機能することが予想される<ref><pubmed> 9971746 </pubmed></ref>。また、ラット神経組織の初代培養細胞では、δ–カテニンはGSK3β、β–カテニンと複合体を形成し、β–カテニンの分解を促進させる機能も有する<ref><pubmed> 20623542 </pubmed></ref>。 また、シナプス後方細胞では、グルタミン酸受容体結合タンパクGRIPやシナプスシナプス後部肥厚部分に局在化するPDS–95との結合が報告されているが、成熟したシナプスにおいてのみδ–カテニンはそれらと局在化する。一方で、シナプスの形成初期では、δ–カテニンの代わりにp120–カテニンがシナプス構造部分に局在する。このようにシナプスの形成過程の中で時期特異的に異なるカテニンが働いて、シグナル伝達の制御をしうる成熟したシナプスが構築されると考えられる<ref><pubmed> 15752981 </pubmed></ref>。 | ||
==脳におけるカテニンの機能== | ==脳におけるカテニンの機能== | ||
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===神経発生=== | ===神経発生=== | ||
神経発生時には、神経管の脳室側で未分化細胞が分裂し、表層方向へと移動し、適材適所に細胞が多種のニューロンへと分化し、その種類ごとに住みわけるように脳室面から表層方向に層構造を形成する。ニューロンはネットワークを形成し、神経活動を伝達する。αN–カテニンの欠損マウスでは小脳や海馬において層構造の形成がうまくいかない<ref><pubmed> 12089526 </pubmed></ref>。ゼブラフィッシュの中脳では、Wnt/β–カテニンシグナル伝達系が中脳視蓋のサイズの制御に寄与していることが示されている。LEFによる転写が活性化すると、中脳領域での神経前駆細胞の増殖が促進する。その転写活性の制御が神経前駆細胞の増殖制御を介して中脳視蓋の大きさに影響をもたらすのではないかと考えられている<ref><pubmed> 22373574 </pubmed></ref>。成体の海馬にも、神経幹細胞が存在しており、自己複製する一方で、神経細胞などへ分化することで新たな神経細胞となる。Wnt/β–カテニンシグナル伝達系は、海馬では神経幹細胞が神経前駆細胞へと分化するために必須であることがマウスやラットを用いた解析から示されている<ref><pubmed> 19701198 </pubmed></ref>。海馬の神経幹細胞では、幹細胞から神経細胞への分化を決定する遺伝子の発現を制御するDNA配列があり、転写因子Sox2がそのDNA配列を認識することによりその下流にある遺伝子発現が抑制され、未分化のままを維持できる。しかし、隣接するアストロサイト細胞で産生されたWntにより幹細胞のWnt/β–カテニンシグナル伝達系が活性化すると、β–カテニンが核へ移行し、TCF/LEFとの複合体として、Sox2の認識配列とオーバーラップした領域に結合するようになる。その結果として、その下流の遺伝子発現が活性化され、神経前駆細胞へと分化が誘導される。 | |||
===成長円錐の伸長=== | ===成長円錐の伸長=== | ||
成長円錐の伸長には、その先端でのアクチン分子の重合の力が利用されている。アクチンの重合が有効に成長円錐の伸長に使われるためには、形成されたアクチン線維が細胞外基質と間接的に連結し、基質に対して動かない必要がある。基質に結合する接着分子とアクチン線維との結合を担う分子をクラッチ分子と呼ぶが（実際にはアクチン線維と接着分子とを強固に結合するのではなく、結合解離を繰り返してアクチン線維は後方へ動くが、そのスピードがアクチン重合よりも遅ければ、成長円錐は伸長できる）、αN–カテニンはクラッチ分子として働くという報告がある。カドヘリン・カテニン複合体とアクチン線維との連結の適切な調節は成長円錐の伸長にも重要である<ref><pubmed> 18524892 </pubmed></ref>。 | |||
===シナプス形成と可塑性=== | ===シナプス形成と可塑性=== | ||
シナプスは、神経回路内の情報伝達の場である。樹状突起表面にはスパインという突起構造が無数にあり、スパイン上ではシナプスが形成されている。シナプスを介した情報伝達に伴ってスパインの形態変化が見られ、それはシナプス形成やシナプス可塑性に関わると考えられている。スパインを形づくる主要な細胞骨格はアクチン線維であり、そこでのアクチン動態はスパインの運動性や形態を動的に変化させ、複数のアクチン結合タンパク質によってそのアクチン動態が制御されている。α–カテニンはスパインの安定化に働いている。αN–カテニン欠損マウスから得られた海馬の神経培養細胞では、N–カドヘリンやβ–カテニンは他のスパインマーカーとともにスパインに局在するが、スパインの形態やその時間変化に異常がみられ、安定的なシナプス構造が維持できない。一方で、αN–カテニンの過剰発現によって、樹状突起上のスパインの数の増加、さらにはスパインのターンオーバーが低下する。これらには、αN–カテニンのN末とC末の領域が必要であり、ここでもN–カドヘリン・β–カテニン・αN–カテニン、そしてアクチン線維が一連に繋がることが必須であることが示唆されている。 | シナプスは、神経回路内の情報伝達の場である。樹状突起表面にはスパインという突起構造が無数にあり、スパイン上ではシナプスが形成されている。シナプスを介した情報伝達に伴ってスパインの形態変化が見られ、それはシナプス形成やシナプス可塑性に関わると考えられている。スパインを形づくる主要な細胞骨格はアクチン線維であり、そこでのアクチン動態はスパインの運動性や形態を動的に変化させ、複数のアクチン結合タンパク質によってそのアクチン動態が制御されている。α–カテニンはスパインの安定化に働いている。αN–カテニン欠損マウスから得られた海馬の神経培養細胞では、N–カドヘリンやβ–カテニンは他のスパインマーカーとともにスパインに局在するが、スパインの形態やその時間変化に異常がみられ、安定的なシナプス構造が維持できない。一方で、αN–カテニンの過剰発現によって、樹状突起上のスパインの数の増加、さらにはスパインのターンオーバーが低下する。これらには、αN–カテニンのN末とC末の領域が必要であり、ここでもN–カドヘリン・β–カテニン・αN–カテニン、そしてアクチン線維が一連に繋がることが必須であることが示唆されている。 | ||
スパインのシナプス周辺領域では、N– | スパインのシナプス周辺領域では、N–カドヘリン・カテニン複合体による接着構造が形成され、シナプスの安定化に寄与していると考えられる。樹状突起と軸索とがシナプスを形成する際、スパインはもともと動的な糸状仮足様の構造をとっているが、軸索からの活動電位が伝わり、シナプス後膜が興奮性の活動電位を示すようになると、マッシュルーム型の構造へと変化し、安定化する。逆に、ナトリウムチャネルをブロックすることで、興奮性の活動電位を阻害すると、スパインは安定的な構造から動的な糸状仮足のような構造へと変化する。それと同時に、シナプスからαN–カテニンが消失する。αN–カテニンの過剰発現により、このナトリウムチャネル阻害依存的なスパインの形態変化が緩和される<ref><pubmed> 12123610 </pubmed></ref><ref><pubmed> 14622577 </pubmed></ref><ref><pubmed> 15034585 </pubmed></ref>。このように神経活動によってシナプス接合部においてカドヘリン・カテニン、そして細胞骨格の連結が制御を受け、その結果としてシナプス構造やその安定性の変化、そしてシナプス伝達の制御に寄与しているという考えが提唱されている<ref><pubmed> 15817378 </pubmed></ref>。変異型β–カテニンを発現させたマウスの海馬から分離した神経培養細胞では、活性化されたシナプス前膜直下に集積しているシナプス小胞の数の維持にβ–カテニンが重要であることが示された。ここでは、α–カテニンとの結合領域は必要ないので、β–カテニンが細胞接着構造を制御することだけに寄与しているのではないと考えられる<ref><pubmed> 14622577 </pubmed></ref>。加えて、細胞接着やWnt/β–カテニンシグナル伝達経路とは別に、β–カテニンの新たなシグナル伝達経路が神経情報伝達において利用されていることが、神経初代培養細胞の解析から明らかになった。NMDA型グルタミン受容体が活性化すると、Wntとは関係なく、β–カテニンが切断され、その後はWnt/β–カテニンシグナル伝達経路と同様に核で機能する<ref><pubmed> 17270735 </pubmed></ref>。p120–カテニンによるRhoA活性の抑制は、樹状突起上のスパインの密度の維持に寄与する<ref><pubmed> 16815331 </pubmed></ref>。一方で、N–カドヘリンとp120–カテニンとの複合体の構造解析によって明らかになった両者の結合に重要なアミノ酸残基についての点変異体を発現させた海馬の神経培養細胞では、p120–カテニンがN–カドヘリンと結合できず、スパインの密度やスパインの幅が減少する<ref><pubmed> 22535893</pubmed></ref>。δ–カテニンはスパインのサイズや数、形態の維持に必要である<ref><pubmed>15489912</pubmed></ref>。 | ||
===大脳皮質のサイズ制御=== | ===大脳皮質のサイズ制御=== | ||
中枢神経系の幹/前駆細胞特異的にαE– | 中枢神経系の幹/前駆細胞特異的にαE–カテニンを欠失させると、細胞間接着が形成できず、さらに細胞極性がなくなる。加えて、細胞数の増加、細胞周期の短縮、アポトーシスの減少がみられ、最終的な大脳皮質の厚みや大きさが増す。このノックアウト細胞では、大脳皮質の発生過程において細胞増殖を促進するヘッジホッグシグナル伝達経路が強く活性化している。以上より、ノックアウト細胞では、細胞接着の崩壊により細胞密度を物理的に感知できなくなり、細胞は低密度であると感じ続け、ヘッジホックシグナル伝達の活性化を介して細胞増殖を促進し、細胞数の増加そして大脳皮質の過形成へとつながると解釈される。正常な場合は、αE–カテニンは発生過程における細胞増殖に関わるシグナル伝達と細胞間接着の制御とをうまく連動させることで、発生時期の大脳皮質の大きさを調節していると示唆される。これは、αE––カテニンの接着構造の制御自体だけでなく、複数のシグナル伝達系を仲介するという新たな機能であると議論されている<ref><pubmed> 16543460 </pubmed></ref>。 | ||
==疾患との関わり== | ==疾患との関わり== | ||
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また、OMIMのデータベース上の情報によると、小頭症や精神遅滞、痙攣をもつ患者において、β–カテニン遺伝子座のヘテロ欠損変異が見つかっている。 | また、OMIMのデータベース上の情報によると、小頭症や精神遅滞、痙攣をもつ患者において、β–カテニン遺伝子座のヘテロ欠損変異が見つかっている。 | ||
カテニン全般的には、神経以外の組織における疾患よりもガンとの関連性がよく議論されている。以下は、OMINにある情報をいくつか挙げている（ここで取り上げていない報告もあるので、さらなる情報はOMINをご参照ください）。結腸直腸ガンや黒色腫ガンなどの患者の組織ではβ–カテニンの遺伝子座にいくつかの異なる変異が見つかっている。これらの変異は、APCやGSK3βによるβ–カテニンのリン酸化を介したβ–カテニン/Lefによる遺伝子発現の制御不全を引き起こし、細胞の異常な増殖、つまりはがん化へと繋がっているのではないかと推察されている。β–カテニンと疾患との関係は複数の報告があり、OMINにはここに挙げていない情報が掲載されているので、ご参照ください。第5染色体の欠損をもつ骨髄白血病患者からの細胞HL–60の解析から、αE–カテニン遺伝子座のメチル化とヒストン脱アセチル化により、その発現が抑制されないままになることがみられている。このαE–カテニンの発現が維持されたままの細胞では、細胞増殖の低下やアポトーシスによる細胞死が見られている。また、アフリカ系アメリカ人の乳がん患者においてもαE–カテニン遺伝子の中に変異が見つかっている。 | |||
p120–カテニンは、多くのがん組織での発現が上昇していることが、UniGeneで示されているが、細胞膜にいるE–カドヘリンの量の減少を介して、もしくは細胞接着とは独立した機能を介して起こるのかはまだわかっていない<ref><pubmed> 15489912 </pubmed></ref>。 | p120–カテニンは、多くのがん組織での発現が上昇していることが、UniGeneで示されているが、細胞膜にいるE–カドヘリンの量の減少を介して、もしくは細胞接着とは独立した機能を介して起こるのかはまだわかっていない<ref><pubmed> 15489912 </pubmed></ref>。 | ||
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==関連項目== | ==関連項目== | ||
細胞接着因子 | |||
カドヘリン | |||
細胞骨格 | |||
Wnt | |||
GSK3β | |||
==参考文献== | ==参考文献== | ||
<references/> | <references/> | ||