インテグリン

長年の努力にもかかわらず、インテグリンの高解像度構造の発見は困難であることが判明しました。これは、膜タンパク質は一般的に精製が難しく、インテグリンは大きく複雑で、多くの糖鎖「ツリー」が付着した高度にグリコシル化されているためです。電子顕微鏡を使用して得られた、無傷のインテグリンGPIIbIIIaの界面活性剤抽出物の低解像度画像、および超遠心分離と光散乱を使用してインテグリンの溶液特性を調査する間接的手法からのデータさえも、単一のインテグリン鎖の単一またはペアのドメインからの断片的な高解像度結晶構造またはNMRデータ、および残りの鎖について仮定された分子モデルと組み合わされました。

2001年に得られたインテグリンαvβ3の細胞外領域全体のX線結晶構造[1]は、分子が^逆V字型に折り畳まれており、リガンド結合部位が細胞膜に近づく可能性があることを示している。おそらくさらに重要なことに、2003年には、RGD配列を含む小さなリガンドである薬剤シレンギチドに結合した同じインテグリンの結晶構造も得られた^{[ 9 ]}。上記で詳述したように、これにより、RGDリガンドのインテグリンへの結合に（Aドメイン内の）二価カチオンが重要な理由が最終的に明らかになった。このような配列とインテグリンとの相互作用は、ECMが細胞の挙動に影響を及ぼす主要なスイッチであると考えられている。

この構造は、特にリガンド結合とシグナル伝達に関して、多くの疑問を提起する。リガンド結合部位はインテグリンのC末端、すなわち分子が細胞膜から突き出ている領域に向かっている。もしインテグリンが膜から直交して突き出ているとすれば、リガンド結合部位は明らかに遮られてしまうだろう。特にインテグリンのリガンドは通常、巨大でよく架橋された細胞外マトリックスの構成要素であるため、なおさらである。実際、膜タンパク質が膜面に対してなす角度についてはほとんど知られていない。これは、既存の技術では対処が難しい問題である。一般的には、膜タンパク質は小さなロリポップのように突き出ていると考えられているが、これを裏付ける証拠はほとんどない。インテグリンの構造はこの問題に注目を集めており、これは膜タンパク質の働き方全般に影響を与える可能性がある。インテグリンの膜貫通ヘリックスは傾いているように見える（下記の「活性化」を参照）。これは、細胞外鎖も膜表面に対して直交していない可能性を示唆している。

シレンギチドとの結合後、結晶構造は驚くほど変化しなかったものの、現在の仮説では、インテグリンの機能には、リガンド結合部位を細胞表面から離れた、よりアクセスしやすい位置に移動させるための形状変化が関与しており、この形状変化が細胞内シグナル伝達も引き起こすと考えられている。この見解を支持する細胞生物学および生化学の文献は数多く存在する。おそらく最も説得力のある証拠は、インテグリンがリガンドに結合した時、つまり活性化された時にのみインテグリンを認識する抗体を用いた研究である。抗体が結合標的上に形成する「足跡」は 直径約3 nmの円形であるため、この技術の解像度は低い。しかしながら、これらのいわゆるLIBS（リガンド誘導結合部位）抗体は、インテグリンの形状に劇的な変化が日常的に起こることを明確に示している。ただし、抗体によって検出された変化が構造上でどのように見えるかはまだ不明である。

2018年、X線結晶解析により、β3のIドメインをαLのIドメインに置き換えたキメラタンパク質の構築により、伸長したβ3「ヘッドピース」の完全な構造が明らかになった。この研究により、ハイブリッドドメインのスイングアウト運動（ヘッドピースの開口につながる）と、以前に観察された「脚」ドメインからのヘッドピースのスイッチブレードのような伸長運動が確認され、2つの運動がどのように相互作用するかについての解像度と詳細が追加された。^{[ 10 ]}

クライオTEMとミセル構築の進歩により、2025年にインテグリン複合体全体の細胞外部分の高解像度構造（< 3.15 Å）がようやく得られた。αvβ3については、6つのアポ型と5つのリガンド結合型を含む11の構造が得られた。（膜貫通部分は低解像度マップで確認できるが、高解像度まで精緻化できず、かなりの柔軟性があることを示している。）リガンドとしてCWHM-12を用いた場合、「コンフォメーション2」と呼ばれる中間状態が発見された。古典的な不活性状態（1）と開状態（3）も詳細に観察され、LM609抗体（LIGSに結合しないことが知られている）を用いて低解像度で以前に観察された2つの状態と顕著な類似性が見られた。^{[ 11 ]} 

細胞膜に放出されると、新たに合成されたインテグリン二量体は、上述の構造研究で明らかになったのと同じ「曲がった」コンフォメーションで見つかると推測されている。この曲がった形態がリガンドとの相互作用を妨げるという考え方もあるが、ECMリガンドに結合したインテグリンの高解像度EM構造では曲がった形態が優勢になることがある。したがって、少なくとも生化学実験では、インテグリン二量体はプライミングしてECMへの結合を可能にするために明らかに「曲がっていない」状態であってはならない。細胞内では、プライミングはタリンというタンパク質によって行われ、タリンはインテグリン二量体のβテールに結合してそのコンフォメーションを変化させる。^{[ 12 ] [ 13 ]} αおよびβインテグリン鎖はどちらもクラスI膜貫通タンパク質であり、単一の膜貫通αヘリックスとして細胞膜を通過する。残念ながら、ヘリックスは長すぎるため、最近の研究では、インテグリン gpIIbIIIa の場合、ヘリックスは互いに、また膜の平面に対しても傾いていることが示唆されています。タリン結合はモデル系で β3 鎖膜貫通ヘリックスの傾斜角を変化させ、これはインテグリンをプライミングするインサイドアウトシグナル伝達プロセスの段階を反映している可能性があります。^{[ 14 ]}さらに、タリンタンパク質は二量体化することができ^{[ 15 ]} 、焦点接着の形成につながるインテグリン二量体のクラスター形成に介入すると考えられています。最近では、キンドリン-1およびキンドリン-2タンパク質もインテグリンと相互作用して活性化することがわかっています。^{[ 16 ]}

インテグリンは、細胞外マトリックス（ECM）と細胞内の細胞骨格（特にマイクロフィラメント）を結合させるタンパク質です。インテグリンが結合できるECM中のリガンドは、インテグリンを構成するαサブユニットとβサブユニットによって決まります。インテグリンのリガンドには、フィブロネクチン、ビトロネクチン、コラーゲン、ラミニンなどがあります。細胞とECMの結合は、細胞がECMから引き剥がされることなく、引っ張られる力に耐えるのに役立つ可能性があります。細胞がこのような結合を形成する能力は、発生においても非常に重要です。

細胞が細胞外マトリックス（ECM）に接着することは、多細胞生物を構築するための基本的な要件です。インテグリンは単なるフックではなく、細胞に周囲の環境に関する重要なシグナルを与えます。VEGF 、EGFなどの可溶性成長因子の受容体から生じるシグナルとともに、接着、移動、死、分化など、どのような生物学的行動をとるべきかという細胞の決定を促します。このように、インテグリンは多くの細胞生物学的プロセスの中心にあります。細胞の接着は、インテグリンとタリン、ビンキュリン、パキシリン、α-アクチニンなどの多くの細胞質タンパク質からなる細胞接着複合体の形成によって起こります。これらは、 FAK（焦点接着キナーゼ）やSrcキナーゼファミリーメンバーなどのキナーゼを調節してp130CASなどの基質をリン酸化し、 CRKなどのシグナル伝達アダプターをリクルートすることによって作用します。これらの接着複合体はアクチン細胞骨格に接着します。インテグリンは、細胞膜を挟んで2つのネットワーク、すなわち細胞外ECMと細胞内アクチンフィラメント系を連結する役割を果たしている。インテグリンα6β4は例外で、上皮細胞のケラチン中間径フィラメント系に連結する。^{[ 19 ]}

焦点接着は、インテグリンとECMの相互作用、そしてそれらのクラスター形成によって生成される大きな分子複合体です。クラスターは、細胞膜の細胞質側に安定したシグナル伝達複合体の形成を可能にするのに十分な細胞内結合部位を提供すると考えられます。したがって、焦点接着にはインテグリンリガンド、インテグリン分子、および関連するプラークタンパク質が含まれます。結合は自由エネルギーの変化によって促進されます。^{[ 20 ]}前述のように、これらの複合体は細胞外マトリックスをアクチン束に接続します。クライオ電子トモグラフィーにより、接着には直径25±5  nmで約45 nm間隔で配置された細胞膜上の粒子が含まれていることが明らかになりました 。^{[ 21 ]} Rhoキナーゼ阻害剤Y-27632による処理は粒子のサイズを小さくし、非常に機械感受性があります。^{[ 22 ]}

組織培養細胞におけるインテグリンの重要な機能の1つは、細胞移動における役割である。細胞はインテグリンを介して基質に接着する。移動中、細胞は前方の基質に新たに接着し、同時に後方の接着を解く。基質から解離すると、インテグリン分子はエンドサイトーシスによって細胞内に取り込まれ、エンドサイトーシスサイクルによって細胞内を前方に輸送され、そこで表面に再び付加される。このようにしてインテグリンは再利用のために循環し、細胞が先端で新たな接着を形成できるようにする。^{[ 23 ]}インテグリンのエンドサイトーシスと細胞表面へのリサイクルのサイクルは、移動する細胞だけでなく、動物の発生においても重要である。^{[ 24 ]}

インテグリンは、受容体チロシンキナーゼ（RTK）などの膜貫通型タンパク質キナーゼの細胞シグナル伝達経路を調節することにより、細胞シグナル伝達において重要な役割を果たします。インテグリンと受容体チロシンキナーゼの相互作用は、当初は一方向性で支持的なものと考えられていましたが、最近の研究では、インテグリンが細胞シグナル伝達において多面的な役割も担っていることが示されています。インテグリンは、特定のアダプターを細胞膜にリクルートすることにより、受容体チロシンキナーゼのシグナル伝達を調節することができます。例えば、β1cインテグリンはGab1/Shp2をリクルートし、Shp2をIGF1Rに提示することで、受容体の脱リン酸化を引き起こします。^{[ 25 ]} 逆方向には、受容体チロシンキナーゼが活性化されると、インテグリンは焦点接着部位で受容体チロシンキナーゼおよびそれに関連するシグナル伝達分子と共局在します。

特定の細胞に発現するインテグリンのレパートリーは、ECMリガンドとインテグリンの結合親和性の違いにより、シグナル伝達経路を規定することができる。組織の硬さとマトリックス組成は、細胞の挙動を制御する特定のシグナル伝達経路を開始することができる。インテグリン/アクチン複合体のクラスター化と活性化は、焦点接着相互作用を強化し、接着体集合体の形成を通じて細胞シグナル伝達の枠組みを開始する。^{[ 26 ]}

インテグリンが特定の受容体チロシンキナーゼに及ぼす調節作用に応じて、細胞は以下のような変化を経験する可能性がある。

• 細胞増殖^{[ 27 ]}
• 細胞分裂^{[ 27 ]}
• 細胞生存^{[ 27 ]}
• 細胞分化
• アポトーシス（プログラム細胞死）

インテグリンと受容体チロシンキナーゼの関係についての知識は、がん治療への新しいアプローチの基礎を築いた。特に、RTKに関連するインテグリンを標的とすることは、血管新生を阻害するための新たなアプローチである。^{[ 28 ]}