Loading article…
アクチンフィラメント（マイクロフィラメントとも呼ばれる）は、真核細胞の細胞質にあるタンパク質フィラメントで、細胞骨格の一部を形成します。[ 1 ]主にアクチンのポリマーで構成されていますが、細胞内の他の多くのタンパク質によって修飾され、相互作用します。アクチンフィラメントは通常、直径が約 7 nmで、2 本のアクチン鎖で構成されています。 [ 1 ]マイクロフィラメントの機能には、細胞分裂、アメーバ運動、細胞運動性、細胞形状の変化、エンドサイトーシスとエキソサイトーシス、細胞収縮性、機械的安定性などがあります。細胞運動を誘導する際には、アクチンフィラメントの一方の端が伸長し、もう一方の端が収縮しますが、これはおそらくミオシン II分子モーターによるものです。[ 2 ]さらに、これらはアクチンミオシン駆動の収縮性分子モーターの一部として機能し、細いフィラメントは、筋肉の収縮や仮足の伸展におけるミオシンのATP依存性牽引作用のための張力プラットフォームとして機能します。マイクロフィラメントは、細胞の動きを助ける丈夫で柔軟な構造を持っています。[ 3 ]
アクチンは、1940年代半ばにFB Straubによってウサギの骨格筋で初めて発見されました。[ 4 ]約20年後、HE Huxleyはアクチンが筋肉の収縮に不可欠であることを実証しました。アクチンが長いフィラメントを形成するメカニズムは、1980年代半ばに初めて記述されました。その後の研究により、アクチンは細胞の形状、運動性、細胞分裂において重要な役割を果たしていることが示されました。
アクチンフィラメントは、束とネットワークという2つの一般的な構造に組み立てられます。束は、すべてのバーブエンドが束の同じ端を向いている極性フィラメント配列、またはバーブエンドが両端を向いている非極性配列から構成されます。架橋タンパク質と呼ばれるアクチン結合タンパク質のクラスが、これらの構造の形成を決定します。架橋タンパク質は、束とネットワークにおけるフィラメントの向きと間隔を決定します。これらの構造は、モータータンパク質、分岐タンパク質、切断タンパク質、重合促進タンパク質、キャッピングタンパク質など、他の多くのクラスのアクチン結合タンパク質によって制御されています。
直径約 7 nmのマイクロフィラメントは、細胞骨格の中で最も細い繊維です。 [ 1 ]マイクロフィラメントは、アクチンサブユニット (球状アクチン、または G-アクチン)のポリマーであり、繊維の一部としては、線状アクチン、または F-アクチンと呼ばれます。各マイクロフィラメントは、2 本のらせん状の絡み合ったサブユニットの鎖で構成されています。微小管と同様に、アクチンフィラメントは極性を持っています。電子顕微鏡写真により、成長の速いバーブドエンドと成長の遅いポインテッドエンドの存在が明らかになっています。この極性は、ミオシン S1 フラグメントの結合によって形成されるパターンによって決定されます。ミオシン S1 フラグメント自体は、より大きなミオシン IIタンパク質複合体のサブユニットです。ポインテッドエンドは一般的にマイナス (−) エンド、バーブドエンドはプラス (+) エンドと呼ばれます。
試験管内でのアクチン重合は、3つのG-アクチンモノマーが自己会合して三量体を形成することから始まります。ATP結合アクチンはその後、バーブドエンドに結合し、続いてATPが加水分解されます。ATP加水分解の半減期は約2秒ですが[ 5 ] 、無機リン酸の解離の半減期は約6分です[ 5 ] 。この自己触媒反応により、隣接するサブユニット間の結合強度が低下し、一般的にフィラメントが不安定化します。生体内でのアクチン重合は、アクトクランピンと呼ばれるフィラメント末端追跡分子モーターのクラスによって触媒されます[ 6 ]。証拠は、ATP加水分解の速度とモノマーの取り込みの速度が強く連動していることを示唆しています。
その後、ADP結合アクチンは尖端からゆっくりと解離し、この過程はアクチン結合タンパク質であるコフィリンによって著しく加速される。ADP結合コフィリンは、（−）端に最も近いADPに富む領域を切断する。放出されると、遊離アクチンモノマーはADPからゆっくりと解離し、ADPは細胞質に拡散している遊離ATPに急速に結合し、それによって、さらなるバーブドエンドフィラメントの伸長に必要なATP-アクチンモノマー単位が形成される。この急速なターンオーバーは、細胞の運動にとって重要である。CapZなどのエンドキャッピングタンパク質は、筋組織のようにアクチンのターンオーバーが好ましくないフィラメント末端でのモノマーの付加または消失を防ぐ。[ 7 ]
アクチン重合とキャッピングタンパク質は、最近、テクノロジーや電気相互接続の製造に役立つ3Dトポロジーを実現するために、タンパク質フィラメントの3次元成長を制御するために使用されました。電気伝導性は、タンパク質の3D構造の金属化によって得られます。[ 8 ] [ 9 ]
ATP加水分解の結果、フィラメントは、尖端よりも棘端で約10倍速く伸長します。定常状態では、棘端での重合速度が尖端での脱重合速度と一致し、マイクロフィラメントはトレッドミリングしていると言われます。トレッドミリングは棘端の伸長と尖端の短縮をもたらし、フィラメント全体が移動します。どちらのプロセスもエネルギー的に有利であるため、これは力が発生することを意味し、そのエネルギーは最終的にATPから供給されます。[ 2 ]
細胞内アクチン細胞骨格の組み立てと分解は、細胞シグナル伝達機構によって厳密に制御されている。多くのシグナル伝達システムは、アクチン細胞骨格を足場として利用し、末梢膜の内側またはその近傍に保持している。この細胞内局在により、膜貫通型受容体の作用と、それに伴うシグナル処理酵素のカスケードに即座に対応できる。[ 10 ]
走化性運動中にアクチンベースの運動性が高い速度を維持するためにはアクチンモノマーをリサイクルする必要があるため、細胞シグナル伝達は、アクチンフィラメントの尖端に最も近いADPに富むアクチンサブユニットに結合し、アクチンモノマーを遊離するためにフィラメントの断片化とそれに伴う脱重合を促進するアクチンフィラメント脱重合タンパク質であるコフィリンを活性化すると考えられている。ほとんどの動物細胞では、モノマーアクチンはプロフィリンとチモシンβ-4に結合しており、どちらもATPを含むモノマーに1対1の化学量論で優先的に結合する。チモシンβ-4は厳密にはモノマー隔離タンパク質であるが、プロフィリンの挙動ははるかに複雑である。プロフィリンは、アクチンに結合したADPを溶液相ATPと交換してアクチン-ATPとADPを生成することでモノマーの集合能力を高める。プロフィリンは、 PIP2結合部位を介して細胞の先端部に移動し、ポリ-L-プロリン結合部位を用いてエンドトラッキングタンパク質に結合する。結合後、プロフィリン-アクチン-ATP複合体は、アクチンクランプンモーターのモノマー挿入部位にロードされる。
フィラメント形成におけるもう1つの重要な構成要素はArp2/3複合体であり、これは既に存在するフィラメント（または「母フィラメント」）の側面に結合し、母フィラメントに対して70度の角度で新しい娘フィラメントの形成を核形成し、扇状の分岐フィラメントネットワークを形成する。[ 11 ]
細胞膜に隣接して、特殊な独自のアクチン細胞骨格構造が見られます。注目すべき例として、赤血球、ヒト胎児腎細胞、ニューロン、精子細胞が挙げられます。赤血球では、スペクトリン-アクチン六角格子が相互接続された短いアクチンフィラメントによって形成されます。[ 12 ]ヒト胎児腎細胞では、皮質アクチンがスケールフリーのフラクタル構造を形成します。[ 13 ]神経軸索で最初に発見されたアクチンは、スペクトリンとアデュシンによって安定化された周期的なリングを形成します。[ 14 ] [ 15 ]そして、このリング構造は、He ら 2016 によって、線虫、ショウジョウバエ、ニワトリ、マウスを含むほぼすべての動物分類群のほぼすべてのニューロン型とグリア細胞に存在することが発見されました。[ 16 ]また、哺乳類の精子では、アクチンは中片、すなわち鞭毛の最初の節でらせん構造を形成する。[ 17 ]
非筋細胞では、アクチンフィラメントは細胞膜表面付近で形成される。その形成と分解は、以下のような多くのタンパク質によって制御されている。
非筋細胞のアクチンフィラメントネットワークは非常に動的である。アクチンフィラメントネットワークは、各フィラメントのバーブドエンドが、フィラメントのバーブドエンドとクランプタンパク質（フォルミン、VASP、Mena、WASP、N-WASP）から形成されるクランプ型フィラメント伸長モーター、すなわち前述の「アクトクランピン」によって細胞の周辺膜に付着するように配置されている。[ 18 ] これらの伸長モーターの主要な基質は、伸長中のフィラメント末端に直接転移されるプロフィリン-アクチン-ATP複合体である。[ 19 ] 各フィラメントのポインテッドエンドは細胞内部に向かって配向している。ラメリポディアの成長の場合、Arp2/3複合体は分岐ネットワークを生成し、フィロポディアでは平行なフィラメント配列が形成される。
ミオシンモーターは、細胞内のATP依存性酵素であり、アクチンフィラメントに結合してそれに沿って移動します。ミオシンモーターにはさまざまな種類があり、細胞に張力をかけたり、貨物小胞を輸送したりするなど、非常に異なる挙動を示します。[ 20 ]
提案されているモデルの一つは、「アクトクランピン」と呼ばれるアクチンフィラメントのバーブドエンド追跡分子モーターの存在を示唆している。 [ 21 ]提案されているアクトクランピンは、ラメリポディア、フィロポディア、インバディポディア、樹状突起スパイン、細胞内小胞、およびエンドサイトーシス、エキソサイトーシス、ポドソーム形成、およびファゴサイトーシスにおける運動性プロセスのアクチンベースの運動に必要な推進力を生成する。アクトクランピンは、リステリア・モノサイトゲネス、シゲラ・フレクスネリ、ワクシニア、リケッチアなどの細胞内病原体も推進する。適切な条件下で組み立てられた場合、これらのエンドトラッキング分子モーターは、生体模倣粒子も推進することができる。
アクチクランピンという用語は、アクチンフィラメントの関与を示す接頭辞「acto -」（アクチンミオシンなど）と、柔軟な物体や動く物体を強化したり、2つ以上の部品をしっかりと固定したりするために使用される把持装置を示す接頭辞「 clamp」に由来し、タンパク質由来であることを示す接尾辞「-in」が後に付けられています。したがって、アクチンフィラメント末端追跡タンパク質はクランピンと呼ばれます。
ディキンソンとプリッチは、ATPの迅速な加水分解がアクチンベースの運動中に達成される力を説明できることを認識した。[18] 彼らは、ロック、ロード、ファイアモデルとして知られる単純な機械酵素シーケンスを提案した。このモデルで は、末端追跡タンパク質が二本鎖アクチンフィラメントの一方のサブフィラメントの末端にしっかりと結合（ロックまたはクランプ）したままになっている。トラッカータンパク質上のグリシル-プロリル-プロリル-プロリル-プロリル-プロリルレジスターに結合した後、プロフィリン-ATP-アクチンはもう一方のサブフィラメントのクランプされていない末端に運ばれ（「ロード」され）、その時点で既にクランプされているもう一方のサブフラグメントの末端サブユニット内のATPが加水分解（「ファイア」）され、末端追跡のそのアームを解放するために必要なエネルギーが供給され、その後、別のプロフィリン-ATP-アクチンに結合して新しいモノマー付加ラウンドを開始することができる。
以下の手順は、アクトクランピン分子モーターの力発生サイクルの一例を示しています。
ATP加水分解の恩恵を受けて作動する場合、ACモーターはフィラメントあたり8～9 pNの力を発生させますが、これはATP加水分解なしで作動するモーターのフィラメントあたりの限界である1～2 pNをはるかに上回ります。[ 18 ] [ 21 ] [ 22 ] アクトクランピンという用語は一般的であり、ATP活性化機構によって能動的に駆動されるか受動的に駆動されるかに関わらず、すべてのアクチンフィラメント末端追跡分子モーターに適用されます。
一部のアクチクランピン（例えば、Ena/VASPタンパク質、WASP、N-WASPが関与するもの）は、進行運動を開始する前に、エンドトラッカーに「ロード」されるアクチン重合核を形成するために、Arp2/3を介したフィラメント開始を必要とするようです。新しいフィラメントを生成するために、Arp2/3は「母」フィラメント、モノマーATP-アクチン、およびリステリアActAまたはN-WASPのVCA領域からの活性化ドメインを必要とします。Arp2/3複合体は母フィラメントの側面に結合し、母フィラメントの長軸に対して70度の角度を持つY字型の分岐を形成します。その後、ActAまたはVCAによって活性化されると、Arp複合体は大きな構造変化を起こし、2つのアクチン関連タンパク質サブユニットが互いに十分に接近して新しいフィラメントゲートを生成すると考えられています。 ATP加水分解が核形成および／またはY分岐の放出に必要かどうかは、現在活発に研究されている問題である。