カタニン

カタニンは、微小管を切断するAAAタンパク質です。カタニンは、日本刀である刀にちなんで名付けられました。カタニンは、ウニで初めて発見されたヘテロ二量体タンパク質です。KATNA1によってコードされる60kDaのATPaseサブユニットを含み、微小管を切断する働きをします。このサブユニットは、活性化にATPと微小管の存在を必要とします。KATNB1によってコードされる2番目の80kDAのサブユニットは、ATPaseの活性を調節し、タンパク質を中心体に局在させます。^[1]電子顕微鏡検査では、カタニンは活性オリゴマー化状態で、微小管の壁上に14～16nmのリングを形成することが示されています（微小管の周囲ではありません）。

電子顕微鏡を用いた構造解析により、β-チューブリンのGTP 加水分解により、微小管プロトフィラメントが直線から湾曲した構造に変化することが明らかになっています。しかし、これらのプロトフィラメントが重合微小管の一部である場合、周囲の格子によって生成される安定化相互作用により、GTP加水分解後でもサブユニットは直線構造に固定されます。^[2] これらの安定した相互作用を破壊するために、ATPに結合したカタニンは、微小管壁上でリング構造にオリゴマー化します。場合によっては、オリゴマー化によりカタニンの微小管に対する親和性が高まり、ATPase活性が刺激されます。この構造が形成されると、カタニンはATPを加水分解し、チューブリンサブユニットに機械的応力を与える構造変化を起こし、微小管格子内の相互作用を不安定化させると考えられます。予測される構造変化は、カタニンとチューブリンや他のカタニンタンパク質との親和性を低下させる可能性が高く、カタニンリング構造の分解と個々の不活性化タンパク質のリサイクルにつながります。^[3]

カタニンによる微小管の切断は、保護的な微小管関連タンパク質(MAP) と p80 サブユニットによって制御されます (p60 は p80 が存在すると微小管をよりよく切断します)。これらのメカニズムは、細胞内のどこで活性化または破壊されるかによって、異なる結果をもたらします。たとえば、中心体でのカタニン媒介切断を許可すると、微小管が自由に移動できるようになります。ある実験では、抗カタニン抗体が細胞に注入され、中心体の周りに微小管が大量に蓄積し、微小管の成長が阻害されました。^[4] そのため、カタニン媒介切断は、微小管の分解と効率的な動きを促進することで、細胞質内の組織化を維持する役割を果たしている可能性があります。細胞分裂中、紡錘体の極での切断により、自由な微小管端が生成され、チューブリンの極方向への流れと微小管の収縮が可能になります。細胞質内の微小管を切断すると、発達において重要な トレッドミル運動と移動が容易になります。

カタニンを介した微小管の切断は、有糸分裂と減数分裂における重要なステップです。アフリカツメガエルでは、M期にカタニンが微小管の切断に関与していることが示されています。^[5]間期構造 からの微小管の分解は、細胞と有糸分裂紡錘体を細胞分裂に備えるために必要です。この制御は間接的です。間期に微小管が切断されるのを防ぐMAPタンパク質が解離し、カタニンが作用できるようにします。^[6]さらに、カタニンは、後期に姉妹染色分 体を分離するために分解が必要な場合、有糸分裂紡錘体で微小管を切断する役割を果たします。^[5]線虫の減数分裂 中のカタニンの活性に関しても同様の結果が得られています。^[7] Mei-1とMei-2は、カタニンのp60およびp80サブユニットに類似したタンパク質をコードすることが報告されている。抗体を用いて、これら2つのタンパク質は減数分裂紡錘体の微小管の末端に局在し、HeLa細胞で発現すると、これらのタンパク質が微小管の切断を開始することがわかった。これらの知見は、カタニンが有糸分裂と減数分裂の両方で、紡錘体極に向かって染色分体を分離するという同様の目的を果たしていることを示す。

カタニンは多くの生物の発達に重要である。カタニンの除去と過剰発現はどちらも軸索の成長に有害であるため、適切な神経発達のためにはカタニンを注意深く制御する必要がある。^[8]特に、特定の細胞空間で微小管を切断すると、断片がさまざまな成長経路をテストできる。このタスクではカタニンが必要であることが証明されている。蛍光標識チューブリンのタイムラプスデジタルイメージングを使用した実験では、神経発達中に軸索成長円錐が分岐部位で停止し、微小管が断片化することが実証された。^[9]

蛍光標識チューブリンを使用した同様の実験では、発達中の移動中のイモリの 肺細胞ラメリポディアで局所的な微小管断片化が観察され、断片は探索を容易にするために前進する細胞膜に対して垂直に走っていた。 ^[10] 両方の断片化イベントの局所的な性質は、特定の細胞領域に集中することができるため、カタニンによる制御を示している可能性が高い。これは、シロイヌナズナのカタニン相同遺伝子に影響を与えるFra2変異が、これらの植物の発達中の細胞壁に沿ったセルロースミクロフィブリルの異常な配置につながることを実証した研究によって裏付けられている。 ^[11]この変異は細胞伸長が減少した表現型を生み出し、これはカタニンが幅広い生物の発達において重要なことを示唆している。

カタニンは神経系に豊富に存在することが知られており、少量でも微小管の著しい減少を引き起こす可能性があります。しかし、十分な数の微小管が迅速に輸送されるためには、ニューロンの他の部分全体で微小管を切断する必要があります。

神経系では、2つのサブユニットの比率は体の他の器官とは劇的に異なります。そのため、比率を調節して微小管の切断を制御できることが重要です。モノマーp80はニューロンのすべての区画に存在するため、その機能はカタニンのみを標的とするものではありません。p80カタニンには、異なる機能を持つ複数のドメインがあります。1つのドメインは中心体を標的とし、別のドメインはp60カタニンによる微小管の切断を増強し、最後のドメインは微小管の切断を抑制します。^[12] ニューロン内のカタニンの豊富さは、ニューロンが軸索に沿って移動できることを示しています。軸索の分岐点とニューロンの成長円錐で微小管が切断されます。ニューロン内のカタニンの分布は、微小管の長さと数を調節し、中心体から微小管を放出する現象を理解するのに役立ちます。

カタニンは他のタンパク質のリン酸化によって制御されると考えられている。曲げることでカタニンの格子へのアクセスが向上し、切断が容易になる。^[6]

カタニンは高等植物でも同様の機能を持つことがわかっています。植物細胞の形状と構造は、高度に組織化されたセルロースを含む硬い細胞壁によって決定されます。細胞壁の方向は、形成中の繊維の沈着を導く役割を果たす微小管によって影響を受けます。細胞壁内のセルロースミクロフィブリルの方向は、細胞拡張の主軸に対して垂直に整列した微小管によって決定されます。^[13]植物細胞には従来の中心体がないため、カタニンは紡​​錘体微小管が形成される前期および前期に核膜に蓄積します。

細胞が伸長する間、微小管は細胞の長さの増加に追いつくために常にその方向を調整する必要があります。この微小管構成の絶え間ない変化は、微小管の急速な分解、組み立て、および転座によって行われると考えられています。^[14]最近、植物カタニンホモログの変異が微小管構成の遷移を変化させ、それが今度はセルロースとヘミセルロースの適切な沈着に障害を引き起こすことが示されました。これは、植物細胞が微小管の長さを調節する能力を欠いていることが原因であると推定されています。

p80 カタニン調節サブユニットの相同体は存在しない。そのため、植物におけるその機能を説明するために His タグ付き At-p60 が作成された。 His-At-p60 は、 ATP 存在下でin vitroで微小管を切断することができる。共沈降アッセイでは微小管と直接相互作用する。ATPase 活性は非双曲線的に刺激された。^[15] ATP 加水分解は、チューブリン/At-p60 比が低いと刺激され、高い比では阻害される。低い比ではカタニンサブユニットの相互作用が促進されるが、高い比では障害がみられる。 At-p60 は動物のそれと同様にオリゴマー化することができる。 At-p60 は微小管と直接相互作用するが、動物の p60 はN 末端を介して結合する。 p60 の N 末端部分は、植物界と動物界の間であまり保存されていない。^[16]

• 微小管切断ATPase

• ハートマン、ジム。「安定した微小管を分解する AAA ATPase カタニン」2004 年。
• マクナリー研究室の研究。「katanin」2006