フッツZ

細胞分裂タンパク質 FtsZ
FtsZ の分子構造 (PDB 1fsz)。
識別子
生物	大腸菌
シンボル	ftsZ
ユニプロット	Ｐ０Ａ９Ａ６
検索する 構造 スイスモデル ドメイン インタープロ

FtsZ は、細菌細胞分裂の将来の部位でリング状に組み立てられるftsZ遺伝子によってコード化されたタンパク質です( Z リングとも呼ばれます)。FtsZ は、真核生物タンパク質チューブリンの原核生物相同体です。頭文字の FtsZ は、「フィラメント化温度感受性変異体 Z」を意味します。大腸菌の細胞分裂変異体は、娘細胞が互いに分離できないため、フィラメントとして成長するというのが仮説でした。FtsZ は、ほぼすべての細菌、多くの古細菌、すべての葉緑体、および一部のミトコンドリアに存在し、細胞分裂に不可欠です。FtsZ は、追加のタンパク質とともに収縮して細胞を 2 つに分割する Z リングの細胞骨格足場を組み立てます。

1960年代に、科学者らは42℃で細胞分裂を阻害する温度感受性変異をスクリーニングした。変異細胞は30℃では正常に分裂したが、42℃では分裂できなかった。分裂せずに成長を続けると、長い糸状細胞が生じた（糸状温度感受性）。そのような変異体がいくつか発見され、当初ftsAと名付けられた遺伝子座にマッピングされたが、この遺伝子は1つまたは複数の遺伝子である可能性がある。 1980年にLutkenhausとDonachie ^{[1]は、これらの変異のいくつかが1つの遺伝子}ftsAにマッピングされたが、Hirotaら^[2]によって最初に発見された、特性のよくわかっている変異体の1つであるPAT84は、別の隣接する遺伝子にマッピングされることを示した。彼らはこの細胞分裂遺伝子をftsZと名付けた。 1991年にBiとLutkenhausは免疫金電子顕微鏡法を使用して、FtsZが中央細胞の陥入隔壁に局在することを示した。^[3]その後、ロシックとマーゴリンのグループは、免疫蛍光顕微鏡法^[4]とGFP融合^[5]を用いて、FtsZが細胞周期の早い段階で、隔壁が収縮し始めるかなり前にZリングを組み立てることを示しました。その後、他の分裂タンパク質がZリング上に組み立てられ、細胞周期の最後の部分で収縮が起こります。

1992年から1993年にかけて、3つの研究室がそれぞれ独立して、FtsZが真核生物のチューブリン（微小管を形成するタンパク質サブユニット）に関連していることを発見しました。 ^{[6] [7] [8]}これは、細菌が真核生物の細胞骨格タンパク質の相同体を持っているという最初の発見でした。その後の研究で、FtsZはほとんどすべての細菌と、すべてではないが多くの古細菌に存在し、細胞分裂に不可欠であることが示されました。

ミトコンドリアと葉緑体は細菌の共生生物として生まれた真核生物の細胞小器官であるため、分裂に FtsZ が使われているかどうかは大きな関心を集めていました。葉緑体の FtsZ は Osteryoung 氏^[9]によって初めて発見され、現在ではすべての葉緑体が分裂に FtsZ を使用していることが分かっています。ミトコンドリアの FtsZ は Beech 氏^[10]によって藻類で発見されました。FtsZ は一部の真核生物のミトコンドリア分裂に使用されていますが、他の真核生物ではダイナミンベースの機構に置き換えられています。

2014年に科学者らは古細菌において2つのFtsZホモログ、FtsZ1とFtsZ2を特定した。^[11]

細胞分裂の際、FtsZ は分裂部位に移動する最初のタンパク質であり、分裂細胞の間に新しい細胞壁(隔壁) を生成する他のタンパク質をリクルートするために不可欠です。細胞分裂における FtsZ の役割は、真核生物の細胞分裂におけるアクチンの役割に似ていますが、真核生物のアクチン-ミオシンリングとは異なり、FtsZには関連するモーター タンパク質が知られていません。細胞壁合成は細胞膜を外部から押し、細胞質分裂の力を提供します。これを裏付けるように、大腸菌では分裂速度は細胞壁合成の変異の影響を受けます。^[12]あるいは、Osawa (2009) が他のタンパク質が存在しないリポソームに対するタンパク質の収縮力を示したことから、FtsZ は膜を内側から引っ張る可能性があると考えられます。^[13]

エリクソン（2009）は、細胞分裂におけるチューブリン様タンパク質とアクチン様タンパク質の役割が、進化の謎の中で逆転した経緯を提唱した。^{[14]分裂中の}葉緑体と一部のミトコンドリアにおけるFtsZリングの使用は、それらの原核生物の祖先をさらに確立する。^[15] 細胞壁を持たないL型細菌は分裂にFtsZを必要としないため、細菌は祖先の細胞分裂様式の要素を保持している可能性がある。^[16]

チューブリンと微小管の動的重合活性については多くのことが分かっていますが、FtsZのこれらの活性についてはほとんど分かっていません。一本鎖チューブリンプロトフィラメントが13本鎖の微小管を形成することは分かっていますが、FtsZを含むZリングの多重鎖構造は分かっていません。その構造は重なり合ったプロトフィラメントで構成されていると推測されているだけです。しかし、支持脂質二重層上の精製FtsZの最近の研究や生きた細菌細胞内のFtsZのイメージングにより、FtsZプロトフィラメントは極性を持ち、トレッドミル運動によって一方向に移動することが明らかになりました^[17]（以下も参照）。

最近、チューブリンや FtsZ に似たタンパク質が、バチルス属の大型プラスミドで発見されました。これらは、細菌内で染色体/プラスミドを分割する多タンパク質複合体であるセグロソームの構成要素として機能すると考えられています。チューブリン/FtsZ のプラスミド相同体は、フィラメントに重合する能力を保存しているようです。

FtsZはGTPに結合する能力があり、GTPをGDPとリン酸基に加水分解できるGTPaseドメインも示しています。生体内では、FtsZはサブユニットの繰り返し配列を持つフィラメントを形成し、すべて頭から尾まで配置されています。^[18]これらのフィラメントは、細胞の縦方向の中央点、つまり隔壁の周りにリングを形成します。このリングはZリングと呼ばれます。

タンパク質の GTP 加水分解活性は、フィラメントの形成や細胞分裂に必須ではありません。GTPase 活性に欠陥のある変異体でも分裂は起こりますが、ねじれた不規則な隔壁を形成することがあります。FtsZ が実際に分裂を引き起こす物理的な力を提供しているのか、それとも分裂を実行するための他のタンパク質の足場として機能しているのかは不明です。

FtsZ が収縮力を生み出す仕組みについては 2 つのモデルがあります。1 つのモデルは、FtsZ プロトフィラメントが直線または曲線になる可能性があるという観察に基づいています。直線から曲線への移行により、膜に曲げ力が発生すると考えられています。^[19]もう 1 つのモデルは、プロトフィラメントのスライドに基づいています。コンピューター モデルと生体内測定から、単一の FtsZ フィラメントは 30 サブユニットを超える長さを維持できないことが示唆されています。このモデルでは、FtsZ 切断力はサブユニットの相対的な横方向の動きから生じます。^[20] FtsZ の線は平行に並び、互いに引っ張って多くの糸でできた「コード」を形成し、それが締め付けられます。

他のモデルでは、FtsZ は収縮力を提供しませんが、細胞分裂を実行する他のタンパク質のための空間的な足場を細胞に提供します。これは、建設作業員が建物の手の届きにくい場所にアクセスするために一時的な構造物を作成するのと似ています。一時的な構造物は、自由なアクセスを可能にし、作業員がすべての場所に到達できるようにします。一時的な構造物が正しく構築されていない場合、作業員は特定の場所に到達できず、建物に欠陥が生じます。

スキャフォールド理論は、リングの形成と膜への局在には多くの補助タンパク質の協調作用が必要であることを示す情報によって裏付けられています。 ZipA またはアクチンホモログFtsA は、 FtsZ の最初の膜への局在を可能にします。^[21]膜への局在に続いて、Fts ファミリーの分裂タンパク質がリングの組み立てにリクルートされます。^[22]これらのタンパク質の多くは、細胞中央部での新しい分裂隔壁の合成を指示したり (FtsI、FtsW)、この合成の活動を制御したりします (FtsQ、FtsL、FtsB、FtsN)。 Z リング形成のタイミングは、FtsZ フィラメントの形成を可能にする空間的または時間的なシグナルの可能性を示唆しています。

いくつかの種における最近の超解像イメージングは​​、動的な足場モデルを支持しており、このモデルでは、FtsZプロトフィラメントまたはプロトフィラメント束の小さなクラスターが、FtsAおよびその他のFtsZ特異的膜テザーによって膜に固定され、トレッドミル運動によってリングの円周の周りを一方向に移動する。 ^{[23] [24]}トレッドミル運動の速度は、FtsZプロトフィラメント内のGTP加水分解の速度に依存するが、大腸菌では、分裂隔壁の合成が細胞質分裂の律速段階のままである。^[25] FtsZのトレッドミル運動は、隔壁ペプチドグリカン合成酵素による分裂隔壁の適切な合成に必要であり、これらの酵素がフィラメントの成長末端を追跡できることを示唆している。

Zリングの形成は、複製に関連する細胞プロセスと密接に一致しています。Zリングの形成は、大腸菌ではゲノム複製の終了と、枯草菌では染色体複製の70%と一致しています。[ 26 ] ^Zリング形成のタイミングは、FtsZフィラメントの形成を可能にする空間的または時間的なシグナルの可能性を示唆しています。大腸菌では、少なくとも2つのFtsZアセンブリの負の調節因子が双極性勾配を形成し、FtsZアセンブリに必要な活性FtsZの濃度は、2つの分離した染色体の間の細胞中央で最も高く、極と染色体上で最も低くなります。このタイプの制御は、枯草菌やカウロバクタークレセンタスなどの他の種でも発生するようです。ただし、肺炎球菌やMyxococcus xanthusなどの他の種は、細胞中央でのFtsZアセンブリを刺激する正の調節因子を使用しているようです。^[27]

FtsZの重合はDNA損傷などのストレス因子とも関連している。DNA損傷はさまざまなタンパク質の生成を誘導し、その1つがSulAと呼ばれる。^[28] SulAはFtsZの重合とGTPase活性を阻害する。SulAは自己認識FtsZ部位に結合することでこの役割を担う。FtsZを隔離することで、細胞はDNA損傷と細胞分裂阻害を直接結び付けることができる。^[29]

SulA と同様に、細胞分裂を阻害するメカニズムは他にもあり、その結果、娘細胞に送られる遺伝情報が破壊されることになる。これまでに、E. coliとB. subtilisで核様体領域での分裂を阻害する 2 つのタンパク質が特定されている。Noc と SlmA である。Noc遺伝子ノックアウトにより、細胞は核様体領域に関係なく分裂し、娘細胞間で核様体領域が非対称に分割される。このメカニズムは十分に理解されていないが、FtsZ の隔離が関与し、核様体領域での重合を阻害すると考えられている。 ^[30] SlmA が核様体での FtsZ 重合を阻害するメカニズム^[31]はよりよく理解されており、2 つの別々のステップを使用する。SlmA の 1 つのドメインが FtsZ ポリマーに結合し、次に SlmA の別のドメインがポリマーを切断する。^[32]同様のメカニズムが、FtsZ リングの配置に関与する別の FtsZ 重合阻害剤である MinC によって使用されると考えられている。^[33]

現在、多剤耐性菌株の数が増加しているため、新しい抗菌薬の開発のための薬剤ターゲットの特定が緊急に必要とされています。FtsZは細胞分裂の阻害における潜在的な役割と、細菌種間での高度な保存性により、新しい抗生物質の開発にとって非常に魅力的なターゲットとなっています。^[34]研究者は、FtsZの阻害剤として合成分子と天然物に取り組んでいます。^[35]

FtsZの自発的な自己組織化は、ナノテクノロジーにおいて金属ナノワイヤを製造するためにも利用することができる。^{[36] [37]}

• 核分裂（生物学）  – 生物学的プロセス
• ディビソーム – 細菌の細胞分裂を司るタンパク質複合体
• FtsK  – 細菌細胞分裂に関与するタンパク質