「細胞骨格」の版間の差分

DOI XXXX/XXXX　原稿受付日：2012年4月27日　原稿完成日：2012年7月17日<br>

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　[[wikipedia:JA:真核細胞|真核]][[wikipedia:JA:細胞質|細胞質]]内のタンパク質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タンパク質からなる。近年、[[wikipedia:JA:原核細胞|原核細胞]]にもこれらに相同性のあるタンパク質が見つかっている。

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　細胞骨格タンパク質の研究は、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[[wikipedia:JA:トライトン|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、[[wikipedia:JA:電子顕微鏡|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[[wikipedia:ja:超臨界乾燥|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、細胞質内のタンパク質性の線維は、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。微小管は中空で径も大きく電子顕微鏡像で容易に区別がつく。アクチンフィラメントには[[ミオシン]]が結合する。ミオシン頭部を細胞骨格試料に加えて、電子顕微鏡で観察すると、マイクロフィラメントが矢じり状に修飾されるのが観察される。そこでマイクロフィラメント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ことで中間径フィラメントが別に存在することが確立した。

　1970年代以降、[[wikipedia:JA:抗体|抗体]]を用いた[[wikipedia:JA:免疫染色|蛍光抗体光学顕微鏡法]]は、細胞骨格タンパク質の細胞内の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。一方、生化学的研究の進展は、その構成タンパク質および関連タンパク質を明らかにし、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、蛍光標識した構成タンパク質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[[キネシン]]の発見(1985)をもたらした。多数のキネシン類縁タンパク質は、輸送のみならず、細胞分裂等への関与が研究されている。昔から知られてきたミオシンと[[ダイニン]]についても、新たな類縁タンパク質群が発見された。これら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。  

[[GTP結合タンパク質]]である[[チュブリン]](tubulin)α、βの二量体(50kd)

　チュブリンα、βの２量体が縦に１列に並んだもの（α、β、α、β、・・・）をプロトフィラメントという。これが12-16本横に繋がって微小管の壁を形成する。実際の重合は、GTP,Mg存在下で、管の両端に２量体が付加されることで起き、速く重合する側を＋端、遅い側を－端と呼ぶ。重合にはGTP型のチュブリン２量体が必要だが、その加水分解は重合には必要がない。GDP型のチュブリン同士の結合は管を維持するには弱い。

　in vitroで微小管の重合脱重合を観察すると、隣り合う微小管が、一方が伸長し、他方が脱重合する場合がある。一般には、同一条件においては、化学反応は同じ方向に進むと考えられるので、この現象は不思議に思われ、動的不安定性(dynamic instability)といわれる。この解釈として以下の説が広く知られている。微小管の＋端がGTPチュブリンで覆われているときは、そこに新たにGTPチュブリンが結合し、微小管は重合する。この覆いをGTPキャップという。微小管内でGTPチュブリンは加水分解されてGDPチュブリンとなる。微小管の＋端のチュブリンまでが加水分解されて、GDPチュブリンが端で露出されると微小管は不安定になり、脱重合する。この動的不安定性はin vivoでも起きている。しかしその場合は様々な微小管関連タンパク質の修飾を受けることになる。

　古典的微小管関連タンパク質(microtubule-associated proteins　MAPs)とは、微小管精製の重合脱重合サイクルで微小管とともに精製され、微小管重合を促進するものをいう。MAP1A, 1B, MAP2, MAP4, tauなどがある。隣り合う微小管を架橋するなど構造的な機能が示唆されている。tauは遺伝性アルツハイマー病の原因遺伝子である。MAP2は樹状突起と細胞体のマーカーとなる。

　微小管の上のモーター分子にはキネシン、ダイニンおよびその類縁タンパク質がある。これらの発見は、微分干渉顕微鏡像の[[タイムラプス解析|タイムラプス像]]を電気的にコントラスト増強することで、一本の微小管がスライドグラスの上を移動するのが観察できるようになった1980年代中盤の技術革新のたまものである。微小管関連タンパク質MAP1Cは細胞質ダイニンであることがわかった。また、数多くのキネシン類縁タンパク質（KIFs）が同定された。それぞれの機能については現在、詳細に研究がされている。

　新しい関連タンパク質として、微小管が重合する際にその＋端に彗星のように結合する一連のタンパク質がある。これはGFPが普及し、その融合タンパク質の局在や動態を見ることがルーチンになったため、偶然に発見された。EB1, Clip-170, STIM1などがあり +tipsタンパク質と呼ばれている。

　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、[[wikipedia:JA:精子|精子]]の[[wikipedia:JA:鞭毛|鞭毛]]や上皮細胞の線毛、分裂細胞の[[wikipedia:JA:紡錘糸|紡錘糸]]の主要成分である。

　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諸説ある。有髄軸索では軸索の大部分をニューロフィラメントが占めるが、[[ランビエの絞輪]]では軸索直径が小さくなり微小管が主体となる。

アクチン(45kd)  

　アクチンはモノマーをG-アクチン、ポリマーをF-アクチンといい、ATP型のG-アクチンは、K+, Mg2+存在下　２量体、３量体を形成する。さらにG-アクチンは、アクチンフィラメントの＋端に結合し、ゆっくりとATPの加水分解を起こす。その結果フィラメント内のアクチンはADP型のF-アクチンということになる。チュブリンと同様でATPの加水分解は線維の伸長には必要ではない。重合したF-アクチンは、サブユニットがらせん状にピッチ13.5個並んだ二重らせんを形成する。

　プロフィリンは12-15 kDのアクチンモノマー結合タンパク質。単量体アクチンのADP-ATP交換反応を加速する。プロフィリンはアクチン伸長を助けるが、アクチン重合核の形成に対しては阻害的に働く。一方ADF/コフィリンは、アクチン繊維を切断・脱重合する活性をもつ20 kDaのアクチン結合タンパク質である。ADP結合型のアクチンに対してより高い親和性を持ち、古いアクチン線維を切断・脱重合すると考えられている。キャッピングタンパク質がアクチンフィラメントの端につくと、重合も脱重合もしない安定なフィラメントを形成する。

　移動細胞では進行方向に薄く広がる細胞の突出が出来ることがありラメリポディアという。ラメリポディアは上下の面を細胞膜で覆われた薄い細胞質の部分だが、アクチン細胞骨格が主体をなす。Arp2/3複合体は、二つのアクチン関連タンパク質 (actin-related protein) Arp2とArp3を含むヘテロ七量体のタンパク質複合体であり、枝分かれしたアクチン 繊維を形成することができる。これらはさらにWASPやracにより制御されている。

　この菌は侵入した細胞内で、菌の一方の端（後ろ）のActAに宿主細胞のアクチンや結合タンパク質を用いてアクチンフィラメントを重合させ, その反作用で前に進む。  

　赤血球では膜タンパク質にバンド4.1、アンキリン、スペクトリン等を介してアクチンフィラメントが結合する。ERMタンパク質（エズリン、ラディキシン、モエシン）はN末に赤血球細胞骨格タンパク質のバンド4.1 様のドメインFERMがあり、膜と結合する。一方、C末はアクチン線維と結合する。

== 参考文献 ==

1.'''Manfred Schliwa''' <br>

 

2.'''Jonathon Howard''' <br>

 

3.'''Bruce Alberts et al.''' <br>

 

4.'''Alan Peters, Sanford L. Palay, Henry DEF''' <br>