微小管

核形成は、チューブリン二量体から微小管の形成を開始する事象です。微小管は通常、微小管形成中心（MTOC）と呼ばれる細胞小器官によって核形成され、組織化されます。MTOC内には、微小管自体のαサブユニットおよびβサブユニットとは異なる、γ-チューブリンという別の種類のチューブリンが含まれています。γ-チューブリンは、他のいくつかの関連タンパク質と結合して、「γ-チューブリンリング複合体」（γ-TuRC）として知られるロックワッシャーのような構造を形成します。この複合体は、α/β-チューブリン二量体が重合を開始するためのテンプレートとして機能し、微小管の成長がMTOCから離れて（+）方向に継続する間、（−）端のキャップとして機能します。^{[ 28 ]}

中心体はほとんどの細胞種の主要なMTOCです。しかし、微小管は他の部位からも核形成されます。たとえば、繊毛や鞭毛の基部には基底体と呼ばれるMTOCがあります。さらに、ヴァンダービルト大学のKaverinaグループや他の研究グループによる研究では、ゴルジ体が微小管の核形成のための重要なプラットフォームとして機能する可能性があることが示唆されています。^{[ 29 ]}中心体からの核形成は本質的に対称的であるため、ゴルジ体関連の微小管核形成により、細胞は微小管ネットワークに非対称性を確立できる可能性があります。最近の研究では、UCSFのValeグループが、タンパク質複合体augminが中心体依存性の紡錘体ベースの微小管生成の重要な因子であることを特定しました。これはγ-TuRCと相互作用し、有糸分裂紡錘体起点周辺の微小管密度を増加させることが示されています。^{[ 30 ]}

植物細胞など一部の細胞種には、明確なMTOC（微小管形成中心）が存在しない。これらの細胞では、微小管は細胞質内の特定の部位から核形成される。トリパノソーマ類寄生虫などの他の細胞種にはMTOCが存在するが、それは鞭毛の基部に恒常的に存在する。ここでは、構造的役割や有糸分裂紡錘体の形成のための微小管の核形成は、典型的な中心体のようなMTOCからではない。

最初の核形成イベントの後、チューブリンモノマーが成長中のポリマーに追加されなければなりません。モノマーの追加または除去のプロセスは、溶液中のαβ-チューブリンダイマーの濃度と臨界濃度との関係に依存します。臨界濃度とは、微小管の末端で正味の組み立てまたは分解がもはや起こらないダイマーの定常状態濃度です。ダイマー濃度が臨界濃度よりも高い場合、微小管は重合して成長します。濃度が臨界濃度よりも低い場合、微小管の長さは減少します。^{[ 31 ]}

動的不安定性とは、微小管の末端で集合と解離が共存することを指します。微小管はこの領域で成長相と収縮相を動的に切り替えることができます。^{[ 32 ]}チューブリン二量体は2分子のGTPを結合でき、そのうちの1つは集合後に加水分解される可能性があります。重合中、チューブリン二量体はGTP結合状態にあります。^{[ 12 ]} α-チューブリンに結合したGTPは安定しており、この結合状態で構造的な機能を果たします。しかし、β-チューブリンに結合したGTPは、集合後すぐにGDPに加水分解される可能性があります。GDP-チューブリンの集合特性はGTP-チューブリンとは異なり、GDP-チューブリンは脱重合しやすいです。^{[ 33 ]}微小管の先端にある GDP 結合チューブリンサブユニットは脱落する傾向があるが、微小管の中央にある GDP 結合チューブリンはポリマーから自発的に飛び出すことはない。チューブリンは GTP 結合状態で微小管の末端に付加されるため、微小管の先端には GTP 結合チューブリンのキャップが存在し、分解から保護していると考えられている。加水分解が微小管の先端に追いつくと、急速な脱重合と収縮が始まる。この成長から収縮への切り替えはカタストロフィーと呼ばれる。GTP 結合チューブリンは再び微小管の先端に付加され始め、新しいキャップを提供し、微小管の収縮を防ぐことができる。これは「レスキュー」と呼ばれる。^{[ 34 ]}

1986年、マーク・キルシュナーとティム・ミッチソンは、微小管がプラス端での成長と収縮という動的な特性を利用して細胞の三次元空間を探査するという説を提唱した。キネトコアや極性部位に遭遇したプラス端は捕捉され、成長や収縮を示さなくなる。半減期が5～10分である通常の動的な微小管とは対照的に、捕捉された微小管は何時間も持続する。この考えは一般に「探索と捕捉」モデルとして知られている。^{[ 35 ]}実際、それ以降の研究はこの考えをほぼ検証している。キネトコアでは、さまざまな複合体が微小管の（+）端を捕捉することが示されている。^{[ 36 ]}さらに、間期微小管の（+）端キャッピング活性も報告されている。^{[ 37 ]}この後期の活性は、フォルミン^{[ 38 ]}、腺腫性ポリポーシス大腸菌タンパク質、およびEB1 ^{[ 39 ]}、微小管の成長中のプラス端に沿って移動するタンパク質によって媒介される。

ほとんどの微小管の半減期は5〜10分ですが、特定の微小管は数時間安定して存在することができます。^{[ 37 ]}これらの安定化した微小管は、微小管結合酵素の作用により、チューブリンサブユニットに翻訳後修飾を蓄積します。 ^{[ 40 ] [ 41 ]}しかし、微小管が脱重合すると、これらの修飾のほとんどは可溶性酵素によって急速に逆転されます。ほとんどの修飾反応は遅く、その逆反応は速いため、修飾されたチューブリンは長寿命の安定な微小管でのみ検出されます。これらの修飾のほとんどは、α-チューブリンのC末端領域で起こります。この領域は負に帯電したグルタミン酸が豊富で、微小管から突き出てモーターと接触する比較的構造のない尾部を形成します。したがって、チューブリンの修飾はモーターと微小管の相互作用を調節すると考えられています。これらの安定した修飾微小管は、通常、間期細胞における細胞極性の部位に向かって配向しているため、この修飾微小管のサブセットは、小胞をこれらの極性領域に輸送するのに役立つ特殊な経路を提供する。これらの修飾には以下が含まれる。

• 脱チロシン化： α-チューブリンからC末端チロシンを除去する反応。この反応により、新しいC末端にグルタミン酸が露出する。その結果、この修飾が蓄積した微小管は、しばしばGlu微小管と呼ばれる。チューブリンカルボキシペプチダーゼはまだ特定されていないが、チューブリンチロシンリガーゼ（TTL）は知られている。^{[ 42 ]}
• Delta2: α-チューブリンのC末端から最後の2つの残基を除去する。^{[ 43 ]}脱チロシン化とは異なり、この反応は不可逆的であると考えられており、ニューロンでのみ記録されている。
• アセチル化： α-チューブリンのリジン40にアセチル基が付加される。この修飾は微小管の内側からしかアクセスできないリジンで起こり、酵素がリジン残基にどのようにアクセスするのかは不明である。チューブリンアセチルトランスフェラーゼの性質は依然として議論の的となっているが、哺乳類では主要なアセチルトランスフェラーゼはATAT1であることがわかっている。^{[ 44 ]}しかし、逆反応はHDAC6によって触媒されることが知られている。^{[ 45 ]}微小管の構造と機能におけるアセチル化の真の影響は依然として不明である。^{[ 46 ]}
• ポリグルタミン化：α-チューブリン末端付近にある5つのグルタミン酸のうちの1つのγ-カルボキシル基にグルタミン酸ポリマー（通常4～6残基長^{[ 47 ]}）が付加される。TTL関連酵素は最初の分岐グルタミン酸を付加し（TTL4、5、7）、同じファミリーに属する他の酵素はポリグルタミン酸鎖を伸長する（TTL6、11、13）。^{[ 41 ]}
• ポリグリシル化：β-チューブリン末端付近にある5つのグルタミン酸のいずれかのγ-カルボキシル基にグリシンポリマー（2～10残基長）が付加される。TTL3と8は最初の分岐グリシンを付加し、TTL10はポリグリシン鎖を延長する。^{[ 41 ]}

チューブリンはリン酸化、ユビキチン化、SUMO化、パルミトイル化されることも知られている。^{[ 40 ]}

さまざまな薬剤がチューブリンに結合し、その集合特性を変化させることができます。これらの薬剤は、チューブリンよりもはるかに低い細胞内濃度で効果を発揮することができます。微小管ダイナミクスへのこの干渉は、細胞の細胞周期を停止させ、プログラム細胞死またはアポトーシスを引き起こす可能性があります。しかし、微小管ダイナミクスへの干渉は、有糸分裂中の細胞をブロックするには不十分であることを示唆するデータがあります。^{[ 48 ]}これらの研究は、ダイナミクスの抑制が有糸分裂をブロックするために必要な濃度よりも低い濃度で起こることを示しています。チューブリン変異または薬剤処理による微小管ダイナミクスの抑制は、細胞移動を阻害することが示されています。^{[ 49 ]} 微小管安定化剤と不安定化剤の両方が微小管ダイナミクスを抑制できます。

微小管の動態を変化させる可能性のある薬剤には、以下のようなものがある。

• 抗がん剤であるタキサン系薬剤（パクリタキセル（タキソール）およびドセタキセル）は、微小管内のGDP結合型チューブリンを安定化させることで、動的不安定性を阻害する。そのため、GTPの加水分解が微小管の先端に達しても脱重合は起こらず、微小管は収縮しない。

タキサン系薬剤（単独、またはプラチナ誘導体（カルボプラチン）やゲムシタビンとの併用）は、乳がんや婦人科系悪性腫瘍、扁平上皮癌（頭頸部癌、一部の肺癌）などに対して使用されます。

• エポチロン類（例えばイキサベピロン）は、タキサン類と同様の作用機序で効果を発揮する。
• ビノレルビン、ノコダゾール、ビンクリスチン、コルヒチンは、チューブリンが微小管に重合するのを阻害するという逆の効果を持つ。
• エリブリンは微小管の（+）成長端に結合する。エリブリンは、長期的かつ不可逆的な有糸分裂阻害によってがん細胞のアポトーシスを誘導し、抗がん作用を発揮する。

β3-チューブリンの発現は、薬剤誘発性の微小管ダイナミクス抑制に対する細胞応答を変化させることが報告されている。一般的に、微小管ダイナミクスは、細胞遊走も阻害する低濃度の亜毒性微小管薬剤によって抑制される。しかし、β3-チューブリンを微小管に組み込むと、ダイナミクスを抑制し細胞遊走を阻害するために必要な薬剤濃度が増加する。したがって、β3-チューブリンを発現する腫瘍は、微小管標的薬の細胞毒性効果だけでなく、腫瘍転移を抑制する能力に対しても耐性を示す。^{[ 50 ]}さらに、β3-チューブリンの発現は、これらの薬剤の作用のもう1つの重要な側面である血管新生を阻害する能力にも対抗する。^{[ 51 ]}

微小管ポリマーは、さまざまな環境影響に対して非常に敏感です。遊離カルシウムの濃度が非常に低いと微小管が不安定になり、初期の研究者は試験管内でポリマーを研究することができませんでした。^{[ 12 ]}低温も微小管の急速な脱重合を引き起こします。対照的に、重水は微小管ポリマーの安定性を促進します。^{[ 52 ]}

MAPは、生体内での微小管ダイナミクスの調節において重要な役割を果たすことが示されている。微小管の重合、脱重合、および崩壊の速度は、どの微小管関連タンパク質（MAP）が存在するかによって異なる。脳組織から最初に同定されたMAPは、分子量に基づいて2つのグループに分類できる。この最初のクラスは、分子量が55～62 kDa未満のMAPで構成され、τ（タウ）タンパク質と呼ばれている。試験管内では、タウタンパク質は微小管に直接結合し、核形成を促進し、分解を防ぎ、平行配列の形成を誘導することが示されている。^{[ 53 ]} さらに、タウタンパク質は軸索内の微小管を安定化することも示されており、アルツハイマー病に関与していると考えられている。^{[ 54 ]} 2番目のクラスは、分子量200～1000 kDaのMAPで構成され、MAP-1、MAP-2、MAP-3、MAP-4の4つのタイプが知られています。MAP-1タンパク質は、 A、B 、Cの3つの異なるタンパク質のセットで構成されています。Cタンパク質は、小胞の逆行輸送で重要な役割を果たし、細胞質ダイニンとしても知られています。MAP-2タンパク質は、ニューロンの樹状突起と本体に存在し、他の細胞骨格フィラメントと結合します。MAP-4タンパク質は、ほとんどの細胞に存在し、微小管を安定化します。微小管構造を安定化するMAPに加えて、他のMAPは、微小管を切断するか、脱重合を誘導することによって不安定化効果を持つ可能性があります。カタニン、スパスティン、フィジェチンと呼ばれる3つのタンパク質は、不安定化作用を介して微小管の数と長さを調節することが観察されている。さらに、CRACD様タンパク質は微小管に局在すると予測されている。^{[ 55 ]}

MAPは軸索と樹状突起の異なる細胞骨格形態の決定因子であり、樹状突起 では微小管の間隔が広くなっている^{[ 56 ]。}

プラス端追跡タンパク質は、成長中の微小管の先端に結合し、微小管のダイナミクスを制御する上で重要な役割を果たすMAPタンパク質です。例えば、+TIPは有糸分裂中の微小管と染色体の相互作用に関与することが観察されています。+TIPとして最初に同定されたMAPはCLIP170（細胞質リンカータンパク質）で、微小管脱重合の救済イベントに関与することが示されています。+TIPのその他の例としては、EB1、EB2、EB3、p150Glued、Dynamitin、Lis1、CLIP115、CLASP1、CLASP2などがあります。

微小管は、小胞輸送や細胞分裂といった重要な細胞機能に関与するモータータンパク質の基質として機能する。他の微小管結合タンパク質とは異なり、モータータンパク質はATP加水分解のエネルギーを利用して機械的な仕事を生み出し、基質に沿ってタンパク質を移動させる。微小管と相互作用する主要なモータータンパク質は、通常微小管の（+）端に向かって移動するキネシンと、（−）端に向かって移動するダイニンである。

• ダイニンは、2 つの同一の重鎖から構成され、これらが 2 つの大きな球状の頭部ドメインを形成し、中間鎖と軽鎖は可変数である。ダイニンを介した輸送は、微小管の (+) 端から (-) 端に向かって行われる。ATP 加水分解は球状の頭部ドメインで起こり、このドメインは AAA+ (様々な細胞活動に関連する ATPase) タンパク質ファミリーと類似性がある。これらのドメインでの ATP 加水分解は、微小管結合ドメインを介して微小管に沿った移動と連動している。ダイニンは、細胞質全体に小胞やオルガネラを輸送する。これを行うために、ダイニン分子は、ダイナクチンを含む多数の要素を含むタンパク質複合体を介してオルガネラ膜に結合する。
• キネシンはダイニンと類似した構造を持つ。キネシンは、小胞、オルガネラ、タンパク質複合体、mRNAなど、さまざまな細胞内カーゴを微小管の（+）端へ輸送する役割を担っている。^{[ 57 ]}

ゲノムを複製するために核へのアクセスを必要とする一部のウイルス（レトロウイルス、ヘルペスウイルス、パルボウイルス、アデノウイルスなど）は、モータータンパク質に付​​着する。

中心体は、有糸分裂中の細胞の主要な微小管形成中心（MTOC）です。各中心体は、互いに直角に配置された2つの円筒状構造である中心小体から構成されています。中心小体は9本の主微小管から形成され、それぞれに2本の部分微小管が付着しています。各中心小体の長さは約400 nm、周囲は 約200 nmです。 ^{[ 58 ]} 

中心体は有糸分裂に不可欠であり、この過程に関与するほとんどの微小管は中心体から発生する。各微小管のマイナス端は中心体から始まり、プラス端はあらゆる方向に放射状に伸びる。したがって、中心体は有糸分裂中の微小管の極性を維持する上でも重要である。^{[ 59 ]}

ほとんどの細胞は細胞周期のほとんどの期間、中心体を1つしか持っていませんが、有糸分裂の直前に中心体が複製され、細胞には2つの中心体が含まれます。^{[ 60 ]}中心体から放射状に伸びる微小管の一部は、姉妹中心体から直接離れて成長します。これらの微小管は星状微小管と呼ばれます。これらの星状微小管の助けを借りて、中心体は互いに離れて細胞の反対側に向かって移動します。そこに到達すると、極間微小管やK線維など、有糸分裂に必要な他の種類の微小管が形成され始めます。^{[ 61 ]}

有糸分裂中の中心体と微小管に関する最後の重要な注意点は、中心体は有糸分裂に必要な微小管のMTOCであるが、微小管自体が形成されて正しい位置に配置されれば、中心体自体は有糸分裂を起こすのに必要なくなるということである。^{[ 62 ]}

星状微小管は、有糸分裂中および有糸分裂前後にのみ存在する微小管のサブクラスです。これらは中心体から発生しますが、染色体、動原体、または他の中心体から発生する微小管とは相互作用しません。^{[ 63 ]}代わりに、これらの微小管は細胞膜に向かって放射状に伸びます。そこで、特定のモータータンパク質と相互作用し、微小管、ひいては中心体全体を細胞膜に向かって引っ張る力を生み出します。前述のように、これは中心体が細胞内で互いに離れるように方向付けるのに役立ちます。ただし、これらの星状微小管は有糸分裂紡錘体自体とは相互作用しません。実験では、これらの星状微小管がなくても有糸分裂紡錘体は形成されますが、細胞内でのその方向が常に正しいとは限らず、有糸分裂が効果的に行われないことが示されています。^{[ 64 ]}星状微小管のもう1つの重要な機能は、細胞質分裂を助けることです。染色体の複製が完了すると、星状微小管は細胞膜上のモータータンパク質と相互作用し、紡錘体と細胞全体を分離させる。

極間/極性微小管は、有糸分裂中に中心体から放射状に伸びる微小管の一種です。これらの微小管は、星状微小管とは異なり、有糸分裂紡錘体に向かって放射状に伸びます。極間微小管は、有糸分裂中に最も豊富で動的な微小管のサブクラスです。有糸分裂紡錘体の微小管の約95%は極間微小管として特徴づけられます。さらに、これらの微小管の半減期は1分未満と非常に短いです。^{[ 65 ]} 動原体に付着しない極間微小管は、動原体との側方相互作用によって染色体の集合を助けることができます。^{[ 66 ]}

K 線維/キネトコア微小管は、有糸分裂微小管の 3 番目の重要なサブクラスです。これらの微小管は、有糸分裂紡錘体のキネトコアと直接結合します。各 K 線維は 20 ～ 40 本の平行な微小管で構成され、一端が中心体、もう一端が各染色体の中央にあるキネトコアに付着した強固なチューブを形成します。各中心体には各染色体対に接続する K 線維があるため、染色体は K 線維によって有糸分裂紡錘体の中央に繋がれます。K 線維の半減期は、極間微小管よりもはるかに長く、4 ～ 8 分です。^{[ 67 ]}有糸分裂の終わりに、各 K 線維を形成する微小管が解離し始め、K 線維が短くなります。K 線維が短くなると、細胞質分裂の直前に染色体対が引き離されます。以前は、K線維は他の微小管と同様に中心体からマイナス端で形成されると一部の研究者が考えていましたが、新しい研究では異なるメカニズムが示されています。この新しいメカニズムでは、K線維は最初に動原体によってプラス端で安定化され、そこから伸びていきます。これらのK線維のマイナス端は最終的に既存の極間微小管に接続し、このようにして最終的に中心体に接続されます。^{[ 68 ]}

有糸分裂紡錘体を形成する微小管のほとんどは中心体から発生します。当初は、これらの微小管はすべて、上記のセクションでより詳しく説明されている探索と捕捉と呼ばれる方法によって中心体から発生すると考えられていましたが、新しい研究により、有糸分裂中に微小管核形成の追加手段があることが示されています。これらの微小管核形成の追加手段の中で最も重要なものの1つは、RAN-GTP経路です。RAN-GTPは有糸分裂中にクロマチンと結合して、染色体の近くで微小管の局所的な核形成を可能にする勾配を作り出します。さらに、オーグミン/HAUS複合体として知られる2番目の経路（一部の生物はより研究されているオーグミン複合体を使用し、ヒトなどの他の生物はHAUSと呼ばれる類似の複合体を使用します）は、有糸分裂紡錘体における微小管核形成の追加手段として機能します。^{[ 68 ]}

微小管のプラス端は、特定の構造に局在していることが多い。極性を持つ間期細胞では、微小管はMTOCから極性部位（例えば、移動する線維芽細胞の先端部）に向かって不均衡に配向している。この配置は、ゴルジ体から極性部位へ微小管結合小胞を輸送するのに役立つと考えられている。

^{微小管の動的不安定性は、}這うように移動するほとんどの哺乳類細胞の移動にも必要です。^{[ 69 ]}動的な微小管は、細胞の収縮性と細胞の広がりを制御するRhoA ^{[ 70 ]}やRac1 [ ^{71 ]}などの主要なG タンパク質のレベルを制御します。動的な微小管は、移動に必要な焦点接着の分解を誘発するためにも必要です。 ^{[ 72 ]}微小管は、細胞の移動中に後縁の収縮に必要な収縮力に対抗する「支柱」として機能することがわかっています。細胞の後縁の微小管が動的な場合、それらは再構築して収縮を可能にします。動態が抑制されると、微小管は再構築できず、したがって収縮力に抵抗します。^{[ 49 ]}微小管の動態が抑制された細胞の形態は、細胞が前縁を伸ばす（移動方向に極性化）ことはできるが、後縁を収縮させるのが難しいことを示しています。^{[ 73 ]}一方、高濃度の薬剤や微小管を脱重合させる微小管変異は細胞移動を回復させるが、方向性が失われる。微小管は細胞移動を抑制するとともに方向性を確立する働きをしていると結論づけることができる。

微小管は真核生物の繊毛と鞭毛において主要な構造的役割を果たしている。繊毛と鞭毛は常にMTOC（この場合は基底体と呼ばれる）から直接伸びている。繊毛や鞭毛に沿って走る様々な微小管鎖に対するダイニンモータータンパク質の作用により、細胞小器官は曲がって力を発生させ、遊泳、細胞外物質の移動、その他の役割を果たすことができる。 原核生物はFtsZを含むチューブリン様タンパク質を持っている。しかし、原核生物の鞭毛は真核生物の鞭毛とは構造が全く異なり、微小管に基づく構造は含まれていない。

微小管によって形成される細胞骨格は、生物の発生における形態形成過程に不可欠である。例えば、ショウジョウバエの卵母細胞では、卵の軸を確立するために、胚発生中に極性のある微小管のネットワークが必要となる。卵胞細胞と卵母細胞の間で送られるシグナル（上皮成長因子に類似した因子など）によって微小管が再編成され、その（－）端が卵母細胞の下部に位置するようになり、構造が極性化されて前後軸が現れる。^{[ 74 ]}このような身体構造への関与は哺乳類でも見られる。^{[ 75 ]}

微小管が不可欠なもう1つの領域は、高等脊椎動物の神経系の発達であり、神経系の発達中にチューブリンのダイナミクスと関連タンパク質（微小管関連タンパク質など）のダイナミクスが精密に制御されている。^{[ 76 ]}

細胞骨格は、さまざまなレベルで機能する動的なシステムです。細胞に特定の形状を与え、小胞やオルガネラの輸送をサポートするだけでなく、遺伝子発現にも影響を与えることができます。このコミュニケーションに関わるシグナル伝達機構はほとんど理解されていません。しかし、薬剤による微小管の脱重合と転写因子の特異的な発現との関係が記述されており、これらの因子の存在に応じて遺伝子の発現が異なることに関する情報が得られています。^{[ 77 ]}細胞骨格と細胞応答の調節との間のこのコミュニケーションは、成長因子の作用にも関連しています。たとえば、この関係は結合組織成長因子にも存在します。^{[ 78 ]}