マイクロフィラメント

マイクロフィラメントはアクチンフィラメントとも呼ばれ、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。主にアクチン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。マイクロフィラメントは通常、直径約 7 nmで、2 本のアクチン繊維で構成されています。マイクロフィラメントの機能には、細胞質分裂、アメーバ運動、細胞運動、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、および機械的安定性があります。マイクロフィラメントは柔軟で比較的強度があり、マルチピコニュートンの圧縮力による座屈やナノニュートンの引張力によるフィラメントの破損に抵抗します。細胞運動を誘発する際、アクチンフィラメントの一方の端は伸長し、もう一方の端は、おそらくミオシン II分子モーターによって収縮します。^{[1]さらに、それらは}アクトミオシン駆動の収縮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収縮と仮足前進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強靭で柔軟なフレームワークを持っています。^[2]

アクチンは1940年代半ばにFBストラウブによってウサギの骨格筋で初めて発見されました。^[3]それから約20年後、HEハクスリー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年代半ばに初めて説明されました。その後の研究では、アクチンが細胞の形状、運動性、細胞質分裂に重要な役割を果たす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、すべてのとげのある端が束の同じ端を向いている極性フィラメント配列、またはとげのある端が両端を向いている非極性配列で構成されます。クロスリンク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。クロスリンクタンパク質は、束とネットワーク内のフィラメントの方向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、重合プロモーター、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ます。^{[引用が必要]}

直径約 6 nmの^[4]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。これら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、繊維の一部としてフィラメント状アクチン、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ストランド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。電子顕微鏡写真では、急速に成長するとげのある端と、ゆっくりと成長する尖った端が示されています。この極性は、ミオシン S1 フラグメントの結合によって作成されたパターンによって決定されています。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。尖った端は一般にマイナス (-) 端と呼ばれ、とげのある端はプラス (+) 端と呼ばれます。^[要出典]

試験管内アクチン重合、または核形成は、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る。次に、 ATPに結合したアクチン自体がバーベナ末端に結合し、続いてATPが加水分解される。ATP加水分解は半減期約2秒で起こり、^[5]無機リン酸の解離の半減期は約6分である。^[5]この自己触媒イベントは、隣接するサブユニット間の結合強度を低下させ、したがって一般にフィラメントを不安定にする。生体内でのアクチン重合は、アクトクランプリンと呼ばれるフィラメント末端追跡分子モーターの一種によって触媒される。最近の証拠は、ATP加水分解の速度とモノマーの取り込み速度が強く連動していることを示唆している。

その後、ADP-アクチンは尖端からゆっくりと解離しますが、このプロセスはアクチン結合タンパク質であるコフィリンによって大幅に加速されます。ADPに結合したコフィリンは、(-)末端に最も近いADPに富む領域を切断します。解放されると、遊離アクチンモノマーはADPからゆっくりと解離し、次に細胞質に拡散している遊離ATPに急速に結合して、とげのある端のフィラメントのさらなる伸長に必要なATP-アクチンモノマー単位を形成します。この急速なターンオーバーは、細胞の動きにとって重要です。CapZなどのエンドキャッピングタンパク質は、筋装置など、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追加または損失を防ぎます。

アクチン重合とキャッピングタンパク質の組み合わせは、最近、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、技術や電気配線の製造に有用な3Dトポロジーを実現しました。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。^{[6] [7]}

ATP加水分解の結果、フィラメントはとげのある端の方が尖った端よりも約10倍速く伸びます。定常状態では、とげのある端での重合速度は尖った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ル運動をしていると言われています。トレッドミル運動により、とげのある端は伸び、尖った端は短くなり、フィラメント全体が動きます。両方のプロセスはエネルギー的に好ましいため、これは力が生成され、そのエネルギーは最終的にATPから来ることを意味します。^[1]

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ます。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使用し、それらを周辺膜の内面またはその近くに保持します。この細胞内位置により、膜貫通受容体の作用に対する即時の応答が可能になり、その結果、シグナル処理酵素のカスケードが発生します。^{[引用が必要]}

アクチンモノマーは、走化性中のアクチンに基づく運動性を高率に維持するためにリサイクルされる必要があるため、細胞シグナル伝達によってコフィリンが活性化されると考えられています。コフィリンは、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てフィラメントの断片化を促進し、同時に脱重合を行ってアクチンモノマーを解放するアクチンフィラメント脱重合タンパク質です。ほとんどの動物細胞では、単量体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 含有単量体と 1 対 1 の化学量論で優先的に結合します。チモシン β-4 は厳密には単量体隔離タンパク質ですが、プロフィリンの挙動ははるかに複雑です。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 を生成するように刺激することで、単量体の組み立て能力を高めます。プロフィリンはPIP ₂結合部位によって先端に運ばれ、ポリ L プロリン結合部位を利用して末端追跡タンパク質にドッキングします。結合すると、プロフィリン - アクチン - ATP はアクトクランピン モーターのモノマー挿入部位にロードされます。^{[引用が必要]}

フィラメント形成におけるもう一つの重要な構成要素はArp2/3複合体であり、これは既存のフィラメント（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とし、扇状の分岐フィラメントネットワークを形成します。^[8]

特殊化した独特なアクチン細胞骨格構造が、細胞膜に隣接して見つかっています。注目すべき4つの例として、赤血球、ヒト胎児の腎臓細胞、ニューロン、精子細胞が挙げられます^{。赤血球では、相互に連結した短いアクチンフィラメントによってスペクトリン-アクチン六角格子が形成されています。[9]}ヒト胎児の腎臓細胞では、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ています。^{[10]ニューロンの}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る周期的なリングを形成します^{[11] [12] 。そして、このリング構造は、線虫}、ショウジョウバエ、ニシキイロショウジョウバエ、ハツカネズミなど、ほぼすべてのニューロン型とグリア細胞に存在し、ほぼすべての動物分類群に存在することがHeら2016によって発見されました。^[13]哺乳類の精子では、アクチンは鞭毛の最初の部分である中片にらせん構造を形成します。^[14]

非筋細胞では、アクチンフィラメントは膜表面の近くに形成されます。その形成とターンオーバーは、以下を含む多くのタンパク質によって制御されます。

• フィラメント末端追跡タンパク質（例：フォルミン、VASP、N-WASP）
• アクチン関連タンパク質2/3（またはArp2/3）複合体として知られるフィラメント核形成因子
• フィラメント架橋剤（例、α-アクチニン、ファシン、フィンブリン）
• アクチンモノマー結合タンパク質プロフィリンおよびチモシンβ4
• Capping Protein や CapGなどのフィラメントの有刺末端キャッパー。
• ゲルゾリンのようなフィラメント切断タンパク質。
• ADF/コフィリンなどのアクチン脱重合タンパク質。

非筋細胞における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、フィラメントの有刺端とクランプタンパク質（フォルミン、VASP、Mena、WASP、およびN-WASP）から形成されるクランプフィラメント伸長モーター（前述の「アクトクランプ」）によって、各フィラメントの有刺端が細胞の周辺膜に付着した状態で配置されている。^[15] これらの伸長モーターの主な基質は、伸長するフィラメントの端に直接転送されるプロフィリン-アクチン-ATP複合体である。^[16] 各フィラメントの尖端は、細胞の内部に向けられている。ラメリポディア成長の場合、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フィラメントの平行配列が形成される。

ミオシンモーターは細胞内ATP依存性酵素で、アクチンフィラメントに結合してそれに沿って動きます。ミオシンモーターの様々なクラスは、細胞内で張力を発生させたり、貨物小胞を輸送したりするなど、非常に異なる動作をします。^[要出典]

提案されているモデルの 1 つでは、「アクトクランプン」と呼ばれるアクチンフィラメントのとげのある端部追跡分子モーターの存在が示唆されています。^[17]提案されているアクトクランプンは、ラメリポディア、フィロポディア、侵入足、樹状突起棘、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、および食作用における運動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します。アクトクランプン モーターは、リステリア モノサイトゲネス、赤痢菌、ワクシニア、リケッチアなどの細胞内病原体も推進します。適切な条件下で組み立てられると、これらの端部追跡分子モーターは生体模倣粒子を推進することもできます。

アクトクランプンという用語は、アクトミオシンなどのアクチンフィラメントの関与を示す「acto 」と、柔軟で動く物体を強化し、2つ以上のコンポーネントをしっかりと固定するために使用される留め具を示す「clamp」に、タンパク質の起源を示す接尾辞「-in」が続くことから派生しています。したがって、アクチンフィラメントの末端追跡タンパク質はクランプンと呼ばれることがあります。

ディキンソンとピューリッチは、迅速なATP 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ました。^[15] 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メカノエンザイム シーケンスを提唱しました。このシーケンスでは、末端追跡タンパク質が、二本鎖アクチン フィラメントの 1 つ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) されたままになります。トラッカー タンパク質のグリシル-プロリル-プロリル-プロリル-プロリル-プロリル-プロリル レジスタに結合した後、プロフィリン-ATP-アクチンは、クランプされていないもう一方のサブフィラメントの末端に送達 (「ロード」) され、もう一方のサブフラグメントのクランプされている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ます。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できます。^{[引用が必要]}

次の手順は、アクトクランピン分子モーターによる 1 つの力生成サイクルを示しています。

1. 重合補因子プロフィリンとATP・アクチンが結合してプロフィリン-ATP-アクチン複合体を形成し、これが末端追跡ユニットに結合する。
2. 補因子とモノマーは、すでにクランプされているアクチンフィラメントのとげのある端に転送されます。
3. 追跡ユニットと補因子は隣接するプロトフィラメントから解離し、このステップは ATP 加水分解エネルギーによって促進され、補因子および/または追跡ユニットのフィラメントに対する親和性を調節することができる。そして、この機械酵素サイクルが繰り返され、今度は他のサブフィラメント成長部位から始まる。^{[引用が必要]}

ATP加水分解の恩恵を受けて動作するACモーターは、フィラメント当たり8～9pNの力を生成します。これは、ATP加水分解なしで動作するモーターのフィラメント当たりの限界である1～2pNよりもはるかに大きいです。^{[15] [17] [18]} アクトクランプンという用語は一般的な用語であり、ATP活性化メカニズム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係なく、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。

一部のアクトクランプリン (例: Ena/VASP タンパク質、WASP、および N-WASP を含むもの) は、明らかに Arp2/3 を介したフィラメント開始を必要とし、アクチン重合核を形成し、それがエンド トラッカーに「ロード」されてから、前進運動が開始されます。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、単量体 ATP-アクチン、およびリステリア ActA または N-WASP の VCA 領域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、母フィラメントの縦軸に対して 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、現在活発に調査されている事項です。

ウィキメディア・コモンズには、マイクロフィラメントに関連するメディアがあります。

Scholia にはアクチンフィラメント (Q329638) のプロファイルがあります。

• 米国国立医学図書館医学件名標目表(MeSH)のマイクロフィラメント
• 米国国立医学図書館医学件名表(MeSH)のマイクロフィラメント + タンパク質
• ドーランド医学辞典の「マイクロフィラメント」