動原体

キネトコアはいくつかの層から構成されており、当初は電子顕微鏡の従来の固定および染色法によって観察され^{[ 13 ] [ 14 ]}（1982年にC. Riederによってレビューされた^{[ 15 ]}）、最近では急速凍結および置換法によって観察されている^{[ 16 ] 。}

キネトコアの最も深い層は内板であり、これは特殊なヒストン（この領域ではヒストンH3の代わりにCENP-Aと呼ばれる）を提示するヌクレオソーム、補助タンパク質、およびDNAを含むクロマチン構造上に組織化されている。セントロメア（サテライトDNA ）におけるDNAの組織化は、脊椎動物のキネトコアの最も理解されていない側面の1つである。内板は、細胞周期全体を通して、離散的なヘテロクロマチン領域のように見える。

内板の外側には外板があり、これは主にタンパク質で構成されています。この構造は、核膜が崩壊した後にのみ染色体の表面に組み立てられます。 ^{[ 13 ]}脊椎動物の動原体の外板には、MT（+）末端（動原体MTにちなんでkMTと名付けられる）のアンカー部位が約20個含まれていますが、酵母（ Saccharomyces cerevisiae ）の動原体の外板にはアンカー部位が1つしかありません。

動原体の最外層は線維状のコロナを形成し、これは従来の顕微鏡観察で可視化できるが、微小管が存在しない場合に限る。このコロナは、紡錘体チェックポイント、微小管の固定、および染色体挙動の調節に関与する常在タンパク質と一時的なタンパク質の動的なネットワークによって形成される。

有糸分裂中、完全な染色体を形成する各姉妹染色分体は、それぞれ独自の動原体を持つ。培養哺乳類細胞では、G2期の終わりに初めて明確な姉妹動原体が観察される。 ^{[ 17 ]}これらの初期の動原体は、核膜が崩壊する前に成熟した層状構造を示す。^{[ 18 ]}高等真核生物における動原体構築の分子経路は、マウスおよび培養ニワトリ細胞での遺伝子ノックアウト、ならびにC. elegans、ショウジョウバエ、およびヒト細胞でのRNA干渉（RNAi）を用いて研究されてきたが、これまでに得られたデータを単純な直線経路で説明できるものはない。

キネトコアに最初に組み立てられるタンパク質はCENP-A ( Saccharomyces cerevisiaeではCse4 ) です。このタンパク質はヒストンH3の特殊なアイソフォームです。 ^{[ 19 ]} CENP-A は、内側キネトコアタンパク質CENP-C、CENP-H、CENP-I/MIS6の組み込みに必要です。^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} CENP-A 依存性経路におけるこれらのタンパク質の関係は完全には解明されていません。たとえば、ニワトリ細胞では CENP-C の局在化には CENP-H が必要ですが、ヒト細胞では CENP-I/MIS6 とは無関係です。C . elegansや後生動物では、外側キネトコアへの多くのタンパク質の組み込みは最終的に CENP-A に依存します。

動原体タンパク質は、有糸分裂中の動原体における濃度に基づいて分類することができる。一部のタンパク質は細胞分裂を通して結合したままであるのに対し、他のタンパク質は濃度が変化する。さらに、動原体上の結合部位におけるリサイクルは、ゆっくりとした速度（比較的安定）または速い速度（動的）で行われる。

• 前期から後期までレベルが安定しているタンパク質には、内板の構成成分と、Ndc80複合体^{[ 25 ] [ 26 ]}、KNL/KBPタンパク質（キネトコアヌル/ KNL結合タンパク質）^{[ 27 ]} 、 MISタンパク質^{[ 27 ]}、CENP-F ^{[ 28 ] [ 29 ]}などの外キネトコアの安定成分が含まれる。これらのタンパク質は、構成成分とともに、キネトコアの内外構造の核コアを組織化していると考えられる。
• 有糸分裂中にキネトコア上で濃度が変化する動的な構成要素には、分子モーターであるCENP-Eとダイニン（およびそれらの標的構成要素であるZW10とROD）、および紡錘体チェックポイントタンパク質（ Mad1、Mad2、BubR1、Cdc20など）が含まれます。これらのタンパク質は、微小管が存在しない状態ではキネトコア上に高濃度で集合しますが、キネトコアに固定されている微小管の数が多いほど、これらのタンパク質の濃度は低くなります。^{[ 30 ]}中期では、CENP-E、Bub3、Bub1のレベルは遊離キネトコアと比較して約3～4分の1に減少しますが、ダイニン/ダイナクチン、Mad1、Mad2、BubR1のレベルは10～100分の1以下に減少します。^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}
• 外板に存在する紡錘体チェックポイントタンパク質のレベルは微小管が固定されるにつれて減少するが、^{[ 33 ]} EB1、 APC 、およびRan経路のタンパク質（RanGap1およびRanBP2 ）などの他の構成要素は、微小管が固定されたときにのみ動原体と結合する。^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}これは、微小管のプラス端（+）を認識し、適切な固定を確保し、固定されたままの動的な挙動を調節する動原体のメカニズムに属する可能性がある。

2010年の研究では、複雑な方法（「マルチクラシファイア組み合わせプロテオミクス」またはMCCPと呼ばれる）を使用して、動原体を含む脊椎動物染色体のプロテオーム構成を分析しました。^{[ 38 ]}この研究では動原体の生化学的濃縮は含まれていませんが、得られたデータには、既知の125個のセントロメアタンパク質すべてのペプチドを含むすべてのセントロメアサブコンプレックスが含まれています。この研究によると、まだ約100個の未知の動原体タンパク質があり、有糸分裂中に既知の構造が2倍になり、動原体が最も複雑な細胞サブ構造の1つであることが確認されています。一貫して、包括的な文献調査では、少なくとも196個のヒトタンパク質がすでに実験的に動原体に局在することが示されています。^{[ 39 ]}

S期の間、細胞はDNA複製と呼ばれるプロセスで染色体に蓄えられたすべての遺伝情報を複製します。このプロセスの終わりに、各染色体には2つの姉妹染色分体、つまり2つの完全で同一のDNA分子が含まれます。両方の染色分体は、染色体分離が起こる後期までコヒーシン複合体によって結合したままです。染色体分離が正しく行われると、各娘細胞は完全な染色分体セットを受け取ります。そのためには、各姉妹染色分体が（対応する動原体を介して）有糸分裂紡錘体の反対側の極に生成された微小管に固定される必要があります。この配置は両方向性または二方向性と呼ばれます。

しかし、アンカーリングプロセス中に、いくつかの誤った構成も発生する可能性があります。^{[ 68 ]}

• モノテリック：染色分体の一方のみが微小管に固定され、もう一方の動原体は固定されていない状態。この状態ではセントロメアの張力がなく、紡錘体チェックポイントが活性化され、後期への移行が遅延し、細胞がエラーを修正する時間が与えられる。修正されない場合、固定されていない染色分体がランダムに2つの娘細胞のいずれかに分配され、異数性が生じる可能性がある。つまり、一方の娘細胞には染色体が過剰に存在し、もう一方の娘細胞には染色体が不足することになる。
• シンテリック：両方の染色分体が同じ極から伸びる微小管に固定されている状態。この状態でもセントロメア張力は発生せず、紡錘体チェックポイントが活性化される。これが修正されない場合、両方の染色分体は同じ娘細胞に取り込まれ、異数性が生じる。
• メロテリック：少なくとも1本の染色分体が、両極から伸びる微小管に同時に固定されている状態。この状態ではセントロメアに張力が生じるため、紡錘体チェックポイントは活性化されない。この状態が修正されない場合、両極に結合した染色分体は後期に遅延染色体として残り、最終的には2つの断片に切断され、娘細胞に分配されて異数性が生じる。

モノテリック構成とシンテリック構成の両方がセントロメア張力を生成できず、紡錘体チェックポイントによって検出される。対照的に、メロテリック構成はこの制御機構によって検出されない。しかし、これらのエラーのほとんどは、細胞が後期に入る前に検出され、修正される。^{[ 68 ]}これらのアンカーエラーの修正における重要な因子は、キナーゼタンパク質Aurora B、その標的および活性化サブユニットINCENP、および他の2つのサブユニット、SurvivinおよびBorealin/Dasra Bを含む染色体パッセンジャー複合体である（2001年にAdamsらがレビューした^{[ 69 ]} ）。この複合体の機能が優性阻害変異体、RNAi、抗体マイクロインジェクション、または選択的薬剤の使用によって消失した細胞では、染色体アンカーのエラーが蓄積する。多くの研究により、オーロラBは誤ったアンカーキネトコア-MTを不安定化させ、両性結合の生成を促進するために必要であることが示されています。酵母のオーロラBホモログ（Ipl1p）は、構成タンパク質Ndc10pやNdc80およびDam1-DASH-DDD複合体のメンバーなど、いくつかのキネトコアタンパク質をリン酸化します。^{[ 70 ]} Ndc80複合体コンポーネントのリン酸化は、kMTのアンカーを不安定化させます。オーロラBの局在は、その機能にとって重要であると提唱されています。オーロラBはキネトコアの内側領域（セントロメアヘテロクロマチン内）に位置しているため、セントロメア張力が確立されると姉妹キネトコアが分離し、オーロラBは基質に到達できなくなるため、kMTが安定化します。オーロラBはいくつかの癌種で頻繁に過剰発現しており、現在、抗癌剤開発の標的となっています。^{[ 71 ]}

紡錘体チェックポイント、またはSAC（紡錘体集合チェックポイントの略）は、有糸分裂チェックポイントとも呼ばれ、以下のものを検出する細胞機構である。

• 有糸分裂紡錘体の正しい組み立て。
• すべての染色体が双極性的に紡錘体に付着すること。
• 中期板における全染色体の整列。

染色体形成中に何らかの理由で1本の染色体が遅れると、紡錘体チェックポイント機構が細胞周期の進行を遅らせます。細胞は停止し、修復機構が検出された問題を解決するための時間が与えられます。しばらく時間が経っても問題が解決されない場合、細胞はアポトーシス（プログラム細胞死）の標的となります。これは、生物にとって一般的に深刻な結果をもたらす異数体の発生を回避するための安全機構です。

構造的セントロメアタンパク質（ CENP-Bなど）は有糸分裂中（終期を含む）を通して安定して局在しているのに対し、紡錘体チェックポイントの構成要素は微小管が存在しない状態ではキネトコア上に高濃度で集合し、キネトコアに付着する微小管の数が増えるにつれてその濃度は低下する。^{[ 30 ]}

中期では、CENP-E、Bub3、Bub1のレベルは、付着していないキネトコアのレベルと比較して 3 ～ 4 倍減少するが、ダイニン/ダイナクチン、Mad1、Mad2、BubR1のレベルは10 ～ 100 倍以上減少する。^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}したがって、中期では、すべての染色体が中期板に整列すると、すべてのチェックポイント タンパク質がキネトコアから解放される。キネトコアからチェックポイント タンパク質が消失することは、染色体が中期板に到達し、双極性張力の下にある瞬間を示す。この時点で、 Cdc20に結合して阻害するチェックポイントタンパク質（Mad1-Mad2およびBubR1）がCdc20を解放し、Cdc20はAPC/C ^Cdc20に結合して活性化し、この複合体が姉妹染色分体の分離を引き起こし、結果として後期への移行が起こります。

いくつかの研究は、Ndc80複合体がMad1-Mad2とダイニンのキネトコアへの安定的な結合の調節に関与していることを示している。^{[ 26 ] [ 63 ] [ 64 ]}しかし、キネトコア関連タンパク質CENP-A、CENP-C、CENP-E、CENP-H、およびBubR1はNdc80/Hec1とは独立している。Ndc80/Hec1レベルが低い細胞で観察される前中期での長期停止はMad2に依存しているが、これらの細胞ではキネトコア上のMad1、Mad2、およびダイニンのレベルが低い（未結合キネトコアと比較して10～15%未満）。しかし、Ndc80/Hec1とNuf2の両方のレベルが低下すると、Mad1とMad2はキネトコアから完全に消失し、紡錘体チェックポイントが不活性化される。^{[ 72 ]}

シュゴシン（ショウジョウバエではSgo1、MEI-S332 ^{[ 73 ]} ）は、後期までコヒーシンをセントロメアに結合させておくために不可欠なセントロメアタンパク質である。ヒトの相同タンパク質であるhsSgo1は、前期にセントロメアに結合し、後期が始まると消失する。[ 74 ^{] HeLa細胞}でRNAiによってシュゴシンのレベルが低下すると、有糸分裂中にコヒーシンがセントロメア上に留まることができなくなり、結果として姉妹染色分体が後期開始前に同期的に分離し、長い有糸分裂停止を引き起こす。

一方、Dassoらは、Ranサイクルに関与するタンパク質が有糸分裂中に動原体上で検出されることを発見した。RanGAP1 （ Ran-GTPをRan-GDPに変換するGTPase活性化タンパク質）とRan結合タンパク質であるRanBP2/Nup358である。^{[ 75 ]}間期には、これらのタンパク質は核膜孔に位置し、核細胞質輸送に関与する。これらのタンパク質の動原体局在は機能的に重要であると考えられ、Ran-GTPレベルを上昇させるいくつかの処理は、Bub1、Bub3、Mad2、およびCENP-Eの動原体からの放出を阻害する。^{[ 76 ]}

Orc2 （ S期中のDNA複製開始に関与する複製起点認識複合体（ORC）に属するタンパク質）は、ヒト細胞の有糸分裂中にも動原体に局在しています。^{[ 77 ]}この局在と一致して、酵母のOrc2は姉妹染色分体の凝集に関与しており、細胞から除去されると紡錘体チェックポイントの活性化が起こることを示す研究もあります。^{[ 78 ]}他のORC構成要素（分裂酵母のorc5など）も凝集に関与していることがわかっています。^{[ 79 ]}しかし、ORCタンパク質はコヒーシン経路に付加的な分子経路に関与しているようですが、その詳細はほとんど不明です。

紡錘体極に対する染色体の動きのほとんどは、kMTの伸長と短縮に関連しています。キネトコアの特徴の1つは、関連するkMT（約20）の状態を、その（+）端での脱重合状態から重合状態へと変化させる能力です。これにより、前中期の細胞のキネトコアは「方向性不安定性」^{[ 80 ]}を示し、極に向かう（極方向）または逆方向（反極方向）への持続的な動きのフェーズ間で変化し、それぞれkMTの脱重合と重合の交互の状態と連動しています。このキネトコアの二安定性は、キネトコアと紡錘体極間の機械的接続を失うことなく、染色体を紡錘体の赤道面に整列させるメカニズムの一部であると考えられます。キネトコアの二安定性は、kMTの（+）端の動的不安定性に基づいていると考えられており、キネトコアに存在する張力によって部分的に制御されています。哺乳類の培養細胞では、キネトコアの張力が低いとkMTsの脱重合への変化が促進され、張力が高いとkMTsの重合への変化が促進される。^{[ 81 ] [ 82 ]}

キネトコアタンパク質と微小管の（+）末端に結合するタンパク質（総称して+TIPと呼ばれる）は、kMTs（+）末端のダイナミクス制御を介してキネトコアの動きを制御する。^{[ 83 ]}しかし、キネトコアと微小管の界面は非常に動的であり、これらのタンパク質の一部は両方の構造の真の構成要素であるように思われる。特に重要なタンパク質のグループは2つあると思われる。1つは、 KinIキネシンなどの脱重合酵素のように働くキネシン、もう1つは、重合を促進し、おそらく脱重合酵素の効果に拮抗する、微小管の（+）末端に結合するタンパク質、+TIPである。^{[ 84 ]}

• KinIキネシンは、内部モータードメインを持ち、ATPを使用して微小管であるチューブリンポリマーの脱重合を促進するため、「I」と名付けられています。脊椎動物では、(+)末端アセンブリのダイナミクスを制御する最も重要なKinIキネシンはMCAKです。^{[ 85 ]}しかし、他のキネシンも関与しているようです。
• キネトコア機能を持つ+TIPには2つのグループが存在する。
  • 1つ目は、タンパク質腺腫性ポリポーシス大腸菌（APC）と関連タンパク質EB1を含み、これらは動原体に局在するために微小管を必要とします。両方のタンパク質は、正しい染色体分離に必要です。^{[ 86 ]} EB1は重合状態の微小管にのみ結合し、この段階でkMTの安定化を促進することを示唆しています。
  • +TIPs の 2 番目のグループには、微小管が存在しない場合でも動原体に局在できるタンパク質が含まれます。このグループには、広く研究されている 2 つのタンパク質があります。CLIP-170 と、それに関連するタンパク質である CLASPs ( CLIP 関連タンパク質) です。動原体における CLIP-170 の役割は不明ですが、優性阻害変異体の発現は前中期遅延を引き起こし、^{[ 87 ]}染色体整列に積極的な役割を果たしていることを示唆しています。CLASPs タンパク質は、ショウジョウバエ、ヒト、酵母において染色体整列と二極性紡錘体の維持に必要です。^{[ 88 ] [ 89 ]}