キネトプラスト

キネトプラストは、ミトコンドリアゲノムの多数のコピーを含むミトコンドリア内の環状DNA (kDNA と呼ばれる)のネットワークです。^{[1] [2]}最も一般的なキネトプラスト構造はディスクですが、他の配置で観察されています。キネトプラストは、キネトプラスト綱のExcavataにのみ見られます。キネトプラスト構造の多様性は、キネトプラスト類間の系統関係を反映している可能性があります。^[3]キネトプラストは通常​​、生物の鞭毛基底小体に隣接しており、細胞骨格のいくつかの成分に結合していることを示唆しています。Trypanosoma bruceiでは、この細胞骨格接続は三者接着複合体と呼ばれ、タンパク質 p166 が含まれています。^[4]

鞭毛を持つ原生動物のグループであるトリパノソーマでは、キネトプラストはミトコンドリア内に密なDNA顆粒として存在する。アフリカ睡眠病を引き起こす寄生虫であるトリパノソーマ・ブルーセイは、キネトプラストを持つトリパノソーマの例である。そのキネトプラストは、蛍光DNA染色であるDAPIで染色したサンプル、またはチミジン類似体であるBrdUを使用した蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）を使用することで簡単に観察できる。^[5]

キネトプラストには、マキシサークルとミニサークルの2つの形式の環状DNAが含まれています。マキシサークルのサイズは20〜40kbで、キネトプラストあたり数十個あります。ミニサークルはキネトプラストあたり数千個あり、サイズは0.5〜1kbです。マキシサークルは、暗号化されたミトコンドリアに必要な一般的なタンパク質産物をエンコードします。ここにミニサークルの唯一知られている機能があり、通常はウリジン残基の挿入または削除により、暗号化されたマキシサークル情報を解読するためのガイドRNA （gRNA）を生成します。マキシサークルとミニサークルのネットワークは連結して、鎖かたびらに似た平面ネットワークを形成します。このネットワークを複製するには、これらのリングを親キネトプラストから切断し、その後、娘キネトプラストで再接続する必要があります。^{[5] [6]このユニークなDNA複製モードは、潜在的な}薬物ターゲットを刺激する可能性があります。

最もよく研​​究されているkDNA構造は、クリチディア・ファシキュラータのもので、環状のkDNAマキシサークルとミニサークルが連結したディスクで、そのほとんどは超らせん状ではありません。^[3] kDNAディスクの外側に直接隣接して、互いに180˚離れた位置にある2つのタンパク質複合体があり、ミニサークルの複製に関与しています。^{[1] [2] [5] [6]}

キネトプラストネットワークのバリエーションも観察されており、kDNA の配置と位置によって説明されます。

• プロkDNAキネトプラストは、鞭毛基底小体に近いミトコンドリアマトリックスに見られる束状の構造です。従来のkDNAネットワークとは対照的に、プロkDNAキネトプラストには連鎖構造がほとんどなく、そのマキシサークルとミニサークルは超らせん状ではなく弛緩しています。プロkDNAは、Bodo saltans、Bodo designis、Procryptobia sorokini syn. Bodo sorokini、Rhynchomonas nasuta、およびCephalothamnium cyclopiで観察されています。^[3]
• ポリkDNAキネトプラストは、kDNA構造がプロkDNAキネトプラストと類似している。カテネーションはほとんどなく、スーパーコイルは存在しない。ポリkDNAの特徴は、プロkDNAのように単一の球状束で構成されているのではなく、ポリkDNAがミトコンドリア腔全体のさまざまな個別の焦点に分布していることである。ポリkDNAは、Dimastigella trypaniformis（シロアリの腸内の片利共生生物）、Dismastigella mimosa（自由生活性のキネトプラスト類）、およびCruzella marina（ホヤの腸の寄生虫）で観察されている。^[3]
• パンkDNAキネトプラストは、ポリkDNAやプロkDNAと同様に、連鎖度は低いが、超らせん状のミニサークルを含む。パンkDNAキネトプラストはミトコンドリアマトリックスの大部分を占め、ポリkDNAのように個別の焦点に限定されることはない。パンkDNAは、Cryptobia helicis（カタツムリの精巣に寄生する）、Bodo caudatus 、 Cryptobia branchialis （魚類に寄生する）で観察されている。^[3]
• メガkDNAキネトプラストはミトコンドリアマトリックス全体にほぼ均一に分布していますが、ミニサークルは含まれていません。代わりに、他のキネトプラストミニサークルと配列が類似したkDNAの配列が直列に接続され、長さ約200kbのより大きな分子になります。メガkDNA（またはメガkDNAに類似した構造）は、トリパノプラズマボレリ（魚類寄生虫）とジャレリア属（クジラ寄生虫）で観察されています。^[3]

この多様なkDNA構造の存在は、キネトプラスチドの種間の進化的関係を強める。pan-kDNAはDNAプラスミドに最も似ているため、kDNAの祖先形態である可能性がある。^[3]

キネトプラストの複製は、隣接する鞭毛の複製と同時に、核 DNA の複製の直前に発生します。従来のCrithidia fasciculata kDNA ネットワークでは、トポイソメラーゼ IIを介して kDNA ミニサークルの切断によって複製の開始が促進されます。遊離したミニサークルは、キネトフラゲラーゾーン (KFZ) と呼ばれる、キネトプラストとミトコンドリア膜の間の領域に放出されます。^{[2] [3] [6]複製後、ミニサークルは、エンド}ヌクレアーゼ、ヘリカーゼ、DNA ポリメラーゼ、 DNAプライマーゼ、DNA リガーゼなどのいくつかの複製タンパク質を含む反対側のタンパク質複合体に未知のメカニズムによって移動し、新しく複製されたミニサークルに残っている不連続性の修復を開始します。^[5]

このプロセスは一度に 1 つのミニサークルに対して行われ、特定の瞬間にリンクが解除されるミニサークルの数はごくわずかです。どのミニサークルが複製されたかを追跡するために、kDNA ネットワークに再結合すると、新生ミニサークルに小さなギャップが残り、すでに複製されたものとして識別されます。まだ複製されていないミニサークルは、共有結合したままです。複製後すぐに、各子孫は反対側のタンパク質複合体に近い kDNA ネットワークに接続され、ギャップが部分的に修復されます。^{[1] [6]}

ミニサークルの複製が進むにつれて、新しいミニサークルの蓄積を防ぐために、kDNA ネットワーク全体がディスクの中心軸の周りを回転します。この回転は隣接する鞭毛の複製に直接関係していると考えられており、娘基底小体もキネトプラストの回転と同様のタイミングと方法で母基底小体の周りを回転します。回転により、娘キネトプラストのミニサークルは螺旋状に組み立てられ、新しいミニサークルがリンク解除されて複製のために KFZ に移動すると、ディスクの中心に向かって内側に移動し始めます。^{[2] [5] [6]}

マキシサークル kDNA の正確なメカニズムはミニサークル kDNA ほど詳細には解明されていないが、ナベルシュヌール(ドイツ語で「臍の緒」) と呼ばれる構造が観察されており、これは娘 kDNA ネットワークをつなぎとめているが、分離中に最終的に切断される。FISH プローブを使用してナベルシュヌールをターゲットにすると、マキシサークル kDNA が含まれていることが判明した。^[5]

キネトプラストの複製は、それぞれ隣接する鞭毛の複製に関連して 5 つの段階で発生すると説明されています。

• ステージ I : キネトプラストはまだ複製を開始しておらず、対蹠タンパク質複合体を含まず、単一の鞭毛基底小体に対して位置しています。
• ステージ II : キネトプラストが対蹠タンパク質複合体を示し始めます。鞭毛基底小体が複製を開始し、キネトプラストも同様に複製を開始します。複製中のキネトプラストが 2 つの基底小体と結合すると、ドーム状の外観になります。
• ステージ III : 新しい鞭毛が分離し始め、キネトプラストは二葉の形状になります。
• ステージ IV : キネトプラストは別々のディスクとして現れますが、ネーベルシュヌールによって接続されたままです。
• ステージV : ナベルシュヌールが破壊され、娘キネトプラストが完全に分離する。その構造はステージIで見られるものと同一である。^[5]

トリパノソーマ・クルーズは、感染中に寄生虫の宿主によって生成された活性酸素種によって損傷を受けたゲノムDNAまたはキネトプラストDNAのヌクレオチドを修復することができる。 ^[7] T. cruziで発現するDNAポリメラーゼβは、塩基除去修復プロセスによる酸化DNA損傷の除去に利用される。DNAポリメラーゼβはキネトプラストDNA複製中に作用し、この細胞小器官における遺伝毒性ストレスによって引き起こされる酸化DNA損傷を修復すると思われる^{。 [7]}