繊毛

繊毛
気管の呼吸上皮から突出する運動性繊毛のSEM顕微鏡写真
詳細
識別子
ラテン	繊毛
メッシュ	D002923
TH	H1.00.01.1.01014
ＦＭＡ	67181
微細解剖学の解剖学用語 [Wikidataで編集]

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繊毛（複数形：cilia 、ラテン語のcilium  「まぶた」から。中世ラテン語および解剖学ではcilium ）は、多くの種類の真核細胞から生じる短い毛のような膜状の突起である。^{[1] [2] （繊毛は}細菌や古細菌には存在しない。）繊毛は、はるかに大きな細胞体の表面から伸びる細い糸状の突起の形をしている。^[2]精子細胞や多くの原生動物に見られる真核生物の鞭毛は、液体中を泳ぐことを可能にする運動性繊毛に似た構造をしている。それらは繊毛よりも長く、異なる波状運動をする。^{[3] [4]}

繊毛には運動性繊毛と非運動性繊毛の2つの主要なクラスがあり、それぞれに2つのサブタイプがあり、合計で4つのタイプがあります。^[5]細胞には通常、1つの一次繊毛または多数の運動性繊毛があります。^[6]繊毛のクラスは、軸糸と呼ばれる繊毛コアの構造によって決まります。ほとんどの運動性繊毛には、9対の二重微小管に囲まれた9対の単一微小管が中央に1対あります。これは9+2軸糸と呼ばれます。ほとんどの非運動性繊毛には、中央の微小管対がない9+0軸糸があります。また、外側と内側のダイニンアームや放射状スポークなど、運動を可能にする関連コンポーネントも欠けています。 ^[7]運動性繊毛には中央の対がないものと、中央の対があるものとがあり、そのため4つのタイプがあります。^{[5] [7]}

運動しない繊毛のほとんどは一次繊毛または感覚繊毛と呼ばれ、感覚器官としてのみ機能します。^{[8] [9]}ほとんどの脊椎動物の細胞型は、細胞のアンテナとして機能する1つの運動しない一次繊毛を持っています。^{[10] [11]} 嗅覚ニューロンは多数の運動しない繊毛を持っています。中央に1対の微小管を持つ運動しない繊毛は、有毛細胞に存在する運動繊毛です。^[5]

運動性繊毛は呼吸上皮細胞に多数存在し、細胞あたり約200本の繊毛があり、粘液繊毛除去に機能するほか、機械感覚および化学感覚機能も果たしている。^{[12] [13] [14]}上衣細胞上の運動性繊毛は、脳脊髄液を脳室系を通じて移動させる。運動性繊毛は雌（獣類）哺乳類の卵管にも存在し、卵細胞を卵巣から子宮へ移動させる働きをする。^{[13] [15]中央の一対の微小管を欠く運動性繊毛は、胚の}原始節の細胞に存在し、節細胞と呼ばれ、左右相称動物の左右非対称の原因となっている。^[16]

繊毛は細胞表面の基底小体から組み立てられ、構築されます。基底小体から、遷移板と遷移帯の前に繊毛細根が形成され、そこで以前の微小管三重体から軸糸の微小管二重体に変化します。

繊毛の土台は基底小体です。これは、繊毛と関連している母中心小体を指す用語です。哺乳類の基底小体は、9 つ​​の三重微小管の樽、亜遠位付属物、および遠位付属物と呼ばれる 9 つの支柱のような構造で構成され、基底小体を繊毛の基部の膜に取り付けます。基底小体の三重微小管はそれぞれ 2 つずつ、軸糸の成長中に伸びて二重微小管になります。

繊毛細根は、繊毛の近位端にある基底小体から発生する細胞骨格のような構造です。細根の直径は通常80～100nmで、約55～70nmの一定間隔で分布する横条線を含みます。細根の主な構成要素は、CROCC遺伝子によってコードされるコイルドコイル細根タンパク質であるルートレットインです。^[17]

独特な構成を実現するために、繊毛の最も近位の領域は、繊毛ゲートとしても知られる遷移帯で構成されており、繊毛へのタンパク質の出入りを制御しています。^{[18] [19] [20]}遷移帯では、Y字型の構造が繊毛膜をその下の軸糸に接続しています。繊毛への選択的な進入の制御には、遷移帯のふるいのような機能が関与している可能性があります。遷移帯の成分の遺伝性欠陥は、ジュベール症候群などの繊毛症を引き起こします。遷移帯の構造と機能は、脊椎動物、線虫、ショウジョウバエ、クラミドモナスなど、多様な生物にわたって保存されています。哺乳類では、遷移帯の破壊により、ヘッジホッグシグナル伝達に関与する膜関連繊毛タンパク質などの繊毛量が減少し、ヘッジホッグ依存性の胚の指数発達や中枢神経系のパターン形成が損なわれます。

繊毛の内部には、軸糸と呼ばれる微小管をベースとした細胞骨格コアがある。一次繊毛の軸糸は通常、9つの外側微小管二重体（9+0軸糸と呼ばれる）のリングを持ち、運動性繊毛の軸糸には、9つの外側二重体に加えて、2つの中央微小管単一体（9+2軸糸と呼ばれる）がある。これは鞭毛の軸糸タイプと同じである。運動性繊毛の軸糸は、繊毛を動かす内側および外側のダイニンアームの足場として機能し、キネシンおよびダイニンの微小管モータータンパク質のための経路を提供する。^{[2] [21] [22]}繊毛成分の輸送は、神経線維の軸索輸送に似た鞭毛内輸送（IFT）によって行われる。輸送は双方向で、細胞骨格モータータンパク質のキネシンとダイニンは、微小管に沿って繊毛成分を輸送します。キネシンは繊毛の先端に向かって順行し、ダイニンは細胞体に向かって逆行します。繊毛は周囲の細胞膜に囲まれた独自の繊毛膜を持っています。^[23]

動物では、運動しない一次繊毛はほぼすべての種類の細胞に見られますが、血液細胞は顕著な例外です。^[2]ほとんどの細胞は運動性繊毛を持つ細胞とは対照的に、嗅覚受容体が存在する嗅覚感覚ニューロンは例外で、それぞれ約10本の繊毛を持っています。網膜光受容細胞などの一部の細胞タイプは、高度に特殊化した一次繊毛を持っています。^[24]

一次繊毛は1898年に発見されたが、1世紀の間ほとんど無視され、重要な機能を持たない退化した細胞器官であると考えられていた。[ ^{25] [2]} 化学受容、シグナル伝達、細胞増殖制御における一次繊毛の生理学的役割に関する最近の研究結果から、細胞機能におけるその重要性が明らかになった。多発性嚢胞腎^[26]、先天性心疾患[27] 、僧帽弁逸脱症^{[ 28]}、 網膜変性[ ^29]（繊毛症と呼ばれる）など、繊毛の形成不全や機能不全によって引き起こされるさまざまな疾患群における役割の発見により、ヒト生物学におけるその重要性が強調されている。^{[30] [31]}一次繊毛は現在、多くのヒト臓器の機能に重要な役割を果たしていることがわかっている。^{[2] [10]膵臓}β細胞の一次繊毛は、細胞の機能とエネルギー代謝を調節している。繊毛の欠失は膵島機能不全や2型糖尿病につながる可能性がある。^[32]

繊毛はG ₁期に組み立てられ、有糸分裂の前に分解される。^{[33] [11]繊毛の分解には}オーロラキナーゼAの作用が必要である。^[34] 現在の一次繊毛の科学的理解では、一次繊毛は「多くの細胞シグナル伝達経路を調整し、シグナル伝達を繊毛運動に、あるいは細胞分裂および分化に結び付けることもある、感覚細胞アンテナ」とみなされている。 ^{[35]繊毛はサブドメイン[説明が必要]} で構成され、細胞の細胞膜と連続した細胞膜に囲まれている。多くの繊毛では、繊毛の起源である基底小体は、繊毛ポケットと呼ばれる膜陥入部内に位置する。繊毛膜と基底小体の微小管は、遠位付属器（遷移繊維とも呼ばれる）によって接続されている。繊毛の分子を運ぶ小胞は遠位付属器にドッキングする。遷移繊維の遠位部には遷移領域が形成され、繊毛への分子の出入りが制御される。これらの繊毛によるシグナル伝達の一部は、ヘッジホッグシグナル伝達などのリガンド結合を介して発生する。^[36]他のシグナル伝達形式には、ニューロン内のソマトスタチン受容体3を含むGタンパク質共役受容体がある。^[37]

内耳の有毛細胞に見られる運動繊毛は、特殊化した一次繊毛、または変形した非運動繊毛と呼ばれる。運動繊毛の9+2軸糸を持つが、動きを生み出す内側のダイニンアームを持たない。音を感知すると、外側のダイニンアームによって受動的に動く。 ^{[38] [39]}

哺乳類にも運動性繊毛または二次繊毛があり、通常は細胞表面に多数存在し（多繊毛）、協調したメタクロナル波で拍動します。^{[40]多繊毛細胞は}呼吸器の内側に見られ、粘液に含まれる破片を肺から排除する粘液繊毛クリアランスで機能します。^[13]呼吸器上皮の各細胞には約200本の運動性繊毛があります。^[12]

生殖管では、平滑筋の収縮が繊毛の拍動を助け、卵細胞を卵巣から子宮へ移動させます。^{[13] [15]}脳室 では繊毛上衣細胞が脳脊髄液を循環させます。

運動性繊毛の機能は、繊毛を覆う繊毛周囲液の最適なレベルの維持に大きく依存している。上皮性ナトリウムチャネル（ENaC）は、呼吸器、卵管、卵管の繊毛全体に沿って特異的に発現しており、繊毛周囲液を調節するセンサーとして機能していると思われる。^{[13] [41]}

中心のシングルットペア（9+0）を持たない運動性繊毛は、初期の胚発生で発見される。これらは原始節の節細胞上に節繊毛として存在する。節細胞は左右非対称の動物に関与している。^[16]中心装置は存在しないが、節繊毛が回転するように動くことを可能にするダイニンアームが存在する。この動きにより、節表面を横切る胚体外液の左方向の流れが生じ、発達中の胚の左右非対称が始まる。 ^{[12] [42]}

運動性があり、複数の9+0繊毛が脈絡叢の上皮細胞に見られる。繊毛は高温にさらされると構造が変化し、鋭くなることもある。繊毛は各細胞に多数存在し、比較的ゆっくりと動くため、運動性繊毛と一次繊毛の中間に位置する。可動性の9+0繊毛に加えて、有毛細胞には動かない孤立した9+2繊毛も存在する。^[39]

節細胞には単繊毛と呼ばれる一本の繊毛がある。これは胚のごく初期の発達段階の原始節に存在する。節には異なるタイプの節繊毛を持つ2つの領域がある。中心節には運動性繊毛があり、節の周辺領域では節繊毛は運動性に変化している。^[42]

中心細胞の運動繊毛は回転して、左右非対称を開始するために必要な細胞外液の左方向の流れを生成します。^[42]

精子細胞や多くの原生動物の運動性繊毛は液体中を泳ぐことを可能にしており、伝統的に「鞭毛」と呼ばれています。^[3]これらの突起は構造的に運動性繊毛と同一であるため、この用語を維持するための試みには、形態（「鞭毛」は通常の繊毛よりも長く、波打つ動きが異なります）^[4]と数による区別が含まれます。^[43]

繊毛虫は、運動性繊毛のみを持つ真核 微生物であり、移動または単に表面上の液体を移動させるためにそれを使用します。例えば、ゾウリムシは、泳ぐことを可能にする何千もの繊毛で覆われています。これらの運動性繊毛は感覚も持っていることが示されています。^[44]

繊毛は繊毛形成の過程を経て形成される。最初の段階は基底小体が成長中の繊毛膜にドッキングすることであり、その後遷移帯が形成される。繊毛軸糸の構成要素であるチューブリンは、部分的に鞭毛内輸送（IFT）に依存する過程を経て繊毛の先端に追加される。^{[45] [46]}例外として、ショウジョウバエの精子や熱帯熱マラリア原虫の鞭毛形成があり、繊毛は細胞質内で形成される。^[47]

繊毛が細胞体に付着する基部には、微小管形成中心である基底小体がある。CEP164 、ODF2 ^[48] 、CEP170 ^{[49]などの}基底小体タンパク質は、繊毛の形成と安定性に必要である。

実際には、繊毛は分子複合体内のおそらく600以上のタンパク質で構成されたナノマシンであり、その多くは独立してナノマシンとしても機能します。 柔軟 なリンカーにより、それらによって接続された可動性タンパク質ドメインは結合パートナーをリクルートし、タンパク質ドメインダイナミクスを介して 長距離アロステリーを誘発します。^[35]

軸糸中のダイニン -軸糸ダイニンは、隣接する微小管ダブレットの間に橋を形成します。ATPがダイニンのモータードメインを活性化すると、ダイニンは隣接する微小管ダブレットに沿って移動しようとします。微小管ダブレット間にネキシンが存在しなければ、隣接するダブレットは互いに滑ることになります。そのため、ダイニンによって生成された力は、曲げ運動に変換されます。^{[50] [51]}

真核生物の上皮細胞にある一次繊毛の一部は細胞のアンテナとして機能し、細胞外環境の化学感覚、温度感覚、機械感覚を司ります。^{[52] [10]}これらの繊毛は、細胞外環境の可溶性因子を含む特定のシグナル伝達の合図を媒介する役割を果たしたり、可溶性タンパク質を放出して流体の流れの下流に影響を及ぼす分泌役割や、繊毛が運動性である場合は流体の流れを媒介したりします。^[52]

一部の上皮細胞は繊毛を持ち、通常は分極した細胞のシートとして存在し、繊毛が内腔に突出した管または細管を形成します。この感覚とシグナル伝達の役割により、繊毛は局所細胞環境を維持する上で中心的な役割を果たしており、繊毛の欠陥が人間のさまざまな疾患を引き起こす理由である可能性があります。^[31]

胚では、節状繊毛が細胞外液の流れを方向付けるために使われます。この左方向への動きは、胚の正中線を挟んで左右の非対称性を生み出します。中央の繊毛は回転運動を調整し、側面の不動繊毛は流れの方向を感知します。^{[42] [53] [54]}マウスの研究では、流れの方向を感知する生物物理学的メカニズムが示唆されています。^[55]

軸索繊毛シナプスでは、セロトニン 軸索とCA1 錐体 ニューロンの一次繊毛の間でコミュニケーションが行われ、核内のニューロンのエピジェネティック状態が変化します。これは、より長期的な細胞膜でのシグナル伝達とは異なる「核内で転写または生成されるものを変更する方法」です。 ^{[56] [57]}

繊毛の欠陥は多くのヒト疾患を引き起こす可能性がある。^{[31] [58]}繊毛の欠陥は、胚の発達と成人の生理機能に不可欠な多くの重要なシグナル伝達経路に悪影響を及ぼすため、多様な繊毛症がしばしば複数の症状を呈する性質について、もっともらしい仮説が立てられている。^{[30] [31]}既知の繊毛症には、原発性繊毛機能不全症、バルデ・ビードル症候群、多発性嚢胞腎および肝疾患、ネフロン癆、アルストローム症候群、メッケル・グルーバー症候群、ゼンセンブレンナー症候群、および一部の網膜変性症がある。^{[30] [52]}繊毛の適切な機能を損なう遺伝子変異、すなわち繊毛症は、原発性繊毛機能不全症（PCD）、ネフロン癆、およびセニア・ローケン症候群などの慢性疾患を引き起こす可能性がある。さらに、腎尿細管細胞の一次繊毛の欠陥は多発性嚢胞腎（PKD）につながる可能性がある。別の遺伝性疾患であるバルデ・ビードル症候群（BBS）では、変異遺伝子産物は基底小体と繊毛の成分である。^{[30]繊毛細胞の欠陥は肥満に関連しており、2型糖尿病で顕著に現れることが多い。すでにいくつかの研究で、繊毛症モデルでは耐糖能障害とインスリン分泌の低下がみられている。さらに、} 2型糖尿病 モデルでは繊毛の数と長さが減少している。^[59]

繊毛に沿って発現する上皮性ナトリウムチャネル（ENaC）は、繊毛周囲液のレベルを調節する。ENaCの活性を低下させる変異は、多系統偽性低アルドステロン症を引き起こし、不妊症と関連している。^[13]塩素チャネルCFTRの変異に起因する嚢胞性線維症では、ENaCの活性が増強され、体液レベルの大幅な低下につながり、呼吸気道の合併症や感染症を引き起こす。^[41]

ヒト精子の鞭毛は繊毛と同じ内部構造を持っているため、繊毛機能不全も男性不妊症の原因となる可能性がある。^[60]

原発性繊毛運動障害は、内臓逆位（これらの所見の組み合わせはカルタゲナー症候群として知られている）や内臓疑似位（異位症候群としても知られている）などの左右解剖学的異常と関連がある。^[61]これらの左右解剖学的異常は先天性心疾患を引き起こすこともある。^[62]哺乳類における正常な左右非対称性は、適切な繊毛機能によるものであることが示されている。^[63]

繊毛機能不全によって引き起こされる多様な結果は、異なる方法や程度で繊毛機能を損なう異なる強さの対立遺伝子から生じる可能性があります。多くの繊毛症はメンデルの法則に従って遺伝しますが、遷移帯やBBS複合体などの異なる機能的繊毛複合体間の特定の遺伝的相互作用により、劣性繊毛症の表現型の発現が変化する可能性があります。^{[64] [65]}遷移帯タンパク質のいくつかの変異は、特定の重篤な繊毛症を引き起こす可能性があります。^[66]

繊毛機能の低下は、感染によっても引き起こされる。バイオフィルムに関する研究では、細菌が繊毛を変化させる可能性があることがわかっている。バイオフィルムとは、同じ細菌種または複数種の細菌の集団である。細胞群は、細胞外マトリックスを形成するさまざまな因子を分泌する。呼吸器系の繊毛は、粘液や病原体を気道から排除することが知られている。バイオフィルム陽性感染患者は繊毛機能が低下していることがわかっている。機能低下は、繊毛の動きの低下または数の減少として現れることがある。これらの変化は外部から生じるが、細菌の病原性、感染の進行、および治療方法に影響を与える。^[67]

未熟な卵細胞と胚を子宮に輸送して着床させるには、平滑筋の収縮と繊毛運動の組み合わせが重要です。この輸送がうまくいかないと子宮外妊娠になり、胚は子宮という適切な場所に到達する前に（通常は）卵管に着床します。この段階には、感染症や月経周期ホルモンなど、多くの要因が影響します。喫煙（炎症を引き起こす）や感染症は繊毛の数を減らし、繊毛運動はホルモンの変化によって影響を受ける可能性があります。^{[15] [68]}

膵臓は、高度に分化した外分泌細胞と内分泌細胞の混合物です。一次繊毛は、中心腺房管細胞である外分泌細胞に存在します。^{[69] [32]}内分泌組織は、さまざまなホルモン分泌細胞で構成されています。インスリン分泌β細胞とグルカゴン分泌α細胞は、高度に繊毛化しています。^{[70] [71]}

• 分子機械#生物学的分子機械 – 分子スケールの人工または生物学的デバイス
• タンパク質ダイナミクス#グローバル柔軟性: 複数のドメイン – タンパク質がどのように移動し、形状を変えるかの研究
• タンパク質ドメイン#ドメインとタンパク質の柔軟性 – タンパク質鎖の残りの部分とは独立して折り畳まれる自己安定領域
• 不動毛 – 細胞構造

• 人間の生理学における多くの臓器に対する繊毛の重要性の簡単な要約
• ジョンズホプキンスの繊毛プロテオームウェブページ