RhoファミリーGTPアーゼ

動物細胞は、その機能や体内の位置に応じて様々な形に変化する。Rhoタンパク質は、細胞がライフサイクルを通して形状変化を調節するのを助ける。細胞が出芽、有糸分裂、運動などの重要なプロセスを行うためには、何らかの細胞極性が必要である。

Rho GTPaseが細胞極性において果たす役割の一例は、よく研究されている酵母細胞に見られる。細胞が出芽する前に、Cdc42は細胞膜のどの領域が新しい細胞に膨らみ始めるかを特定するために使用される。Cdc42が細胞から除去されると、突起は形成されるが、無秩序な形で形成される。^{[ 17 ]}

Rhoタンパク質によって制御される細胞形態の最も明白な変化の1つは、ラメリポディアとフィロポディアの形成であり、これらは「指」や「足」のように見える突起で、細胞や成長円錐を表面上で移動させることが多い。ほぼすべての真核細胞は、Rhoが活性化されるとこのような突起を形成する。^{[ 10 ]}スイス3T3細胞などの線維芽細胞は、これらの現象を研究するためによく使用される。

ラメリポディアとフィロポディアの形成に加え、細胞内濃度と異なるRhoタンパク質間のクロストークが、細胞運動を引き起こす伸長と収縮を駆動する。佐久村らは、Rhoタンパク質の活性と運動との関係を説明するのに役立つ微分方程式に基づくモデルを提案した。このモデルは、Cdc42、RhoA、およびRacの3つのタンパク質を包含している。Cdc42はフィロポディアの伸長を促進し、アクチンの脱重合を阻害すると想定された。RhoAはアクチンの収縮を促進すると考えられた。Racはラメリポディアの伸長を促進するが、アクチンの脱重合を阻害するとされた。これら3つのタンパク質は、大幅に単純化されているものの、細胞運動の重要なステップを網羅している。様々な数学的手法を用いて、細胞内活性に基づく様々な活性領域を記述する微分方程式の解が見出された。論文は、このモデルが、細胞の活性に興味深い影響を与えるいくつかの閾値濃度が存在することを予測していることを示して締めくくっている。ある一定の濃度以下では、活性が非常に低く、細胞の腕や足の伸展は起こりません。ある一定の濃度を超えると、Rhoタンパク質はラメリポディアやフィロポディアの伸展と収縮によく似た正弦波振動を引き起こします。本質的に、このモデルは、これら3つの主要な活性Rhoタンパク質の細胞内濃度が増加すると、細胞の逆位相の活性が引き起こされ、結果として伸展と収縮も逆位相に​​なると予測しています。^{[ 19 ]}

Rho GTPaseタンパク質によって調節される行動の一例は、傷の治癒である。傷の治癒は、若いヒナと成鶏で異なる。若いヒナでは、袋を閉じるために紐を引っ張るように、収縮によって傷が治癒する。成鶏では、細胞が運動によって傷の上を這う。若いヒナの傷を閉じるために必要なアクチン形成はRho GTPaseタンパク質によって制御されており、rhoおよびrac活性を阻害するために使用される細菌外酵素を注射すると、アクチンポリマーが形成されず、したがって治癒が完全に失敗する。^{[ 20 ]}

線維芽細胞を用いた研究では、遊走細胞の先端部において、Cdc42活性とNa-H交換体アイソフォーム1（NHE1）によるH+排出との間に正のフィードバックが存在することが示されている。NHE1を介したH+排出は、グアニンヌクレオチド交換因子（GEF）が触媒するCdc42へのGTP結合に必要であり、遊走細胞におけるこの低分子GTPaseによる極性制御のメカニズムを示唆している。^{[ 21 ]}

rhoタンパク質によって影響を受けるもう1つの細胞挙動は、食作用です。他のほとんどのタイプの細胞膜調節と同様に、食作用は他の物質を取り込むためにアクチン細胞骨格を必要とします。アクチンフィラメントは食作用カップの形成を制御し、活性型Rac1とCdc42はこのシグナル伝達カスケードに関与していることが示唆されています。^{[ 22 ]}

細胞の挙動のもう 1 つの主要な側面で、rho タンパク質シグナル伝達が関与していると考えられているのが有糸分裂です。長年にわたり、rho GTPase 活性はアクチン重合、ひいては有糸分裂後に起こる細胞質分裂に限定されていると考えられていましたが、微小管形成と有糸分裂自体のプロセスにも何らかの活性があることを示す新しい証拠が出てきました。このトピックはまだ議論されており、有糸分裂における rho の重要性については賛成と反対の両方の証拠があります。^{[ 23 ]}

細胞の運動性や形状に関与していることから、Rhoタンパク質は神経系における軸索形成および再生時に形成される成長円錐の研究において明確な標的となった。Rhoタンパク質は、外傷性損傷後の脊髄損傷部位への送達の潜在的な標的となる可能性がある。脊髄損傷後、細胞外空間はニューロンが行う自然な再生努力を阻害するようになる。

これらの自然な働きには、損傷した軸索の近位端に成長円錐が形成されることが含まれます。新たに形成された成長円錐は、その後、損傷部を「這う」ように移動しようとします。これらは細胞外環境の化学的シグナルに敏感です。多くの阻害シグナルの1つに、コンドロイチン硫酸プロテオグリカン（CSPG）があります。培養で増殖するニューロンは、構成的に活性化されたCdc42またはRac1 ^{[ 24 ]}の発現、あるいはRhoAの優性阻害型（阻害）の発現後に、CSPGで覆われた基質領域を横断する能力が高まります。

これは、細胞外シグナルがアポトーシスや成長円錐の崩壊を促進するにもかかわらず、外因性のRhoタンパク質が細胞運動を駆動していることが一因である。そのため、脊髄再生を目的とした研究において、Rhoタンパク質の細胞内調節が注目されるようになった。

Rhoタンパク質の機能不全は知的障害にも関与している。知的障害は、ニューロン間のシナプス後結合を形成する樹状突起スパインの奇形を伴う場合がある。樹状突起スパインの奇形は、Rhoタンパク質シグナル伝達の調節によって生じる可能性がある。X連鎖性知的障害に関与する様々な遺伝子のクローニング後、Rhoシグナル伝達に影響を与える3つの遺伝子が同定された。これには、オリゴフレニン-1（Rac1、Cdc42、およびRhoAのGTPase活性を刺激するGAPタンパク質）、PAK3（アクチン細胞骨格に対するRacおよびCdc42の影響に関与）、およびαPIX（Rac1およびCdc42の活性化を助けるGEF）が含まれる。^{[ 25 ]} Rhoシグナル伝達がアクチン細胞骨格に及ぼす影響により、Rhoタンパク質の遺伝的機能不全は、知的障害の一部の症例で見られる神経樹状突起の不規則な形態を説明できる可能性がある。

Rasタンパク質がヒトがんの30%で変異していることが分かった後、変異したRhoタンパク質もがんの増殖に関与しているのではないかと疑われた。 ^{[ 12 ]}しかし、2007年8月現在、Rhoタンパク質に発がん性変異は見つかっておらず、遺伝子変異が見つかったのは1つだけである。^{[ 12 ]}変異のないRho経路の役割を説明するために、研究者たちは現在、rho活性の調節因子とRhoタンパク質の発現レベルに答えを求めている。

変異がないにもかかわらずシグナル伝達の変化を説明する一つの方法は、発現の増加によるものです。RhoA、RhoB、RhoC、Rac1、Rac2、Rac3、RhoE、RhoG、RhoH、およびCdc42の過剰発現は、複数の種類のがんで示されています。^{[ 12 ]}これほど多くのシグナル伝達分子の存在が増加していることは、これらのタンパク質が、がん細胞で過剰に活性化する細胞機能を促進することを示唆しています。

がんにおける Rho タンパク質の役割を説明する 2 番目のターゲットは、その制御タンパク質です。Rho タンパク質は、さまざまなソースによって厳密に制御されており、60 を超える活性化因子と 70 を超える不活性化因子が特定されています。^{[ 17 ]}複数の GAP、GDI、および GEF は、さまざまな種類のがんで過剰発現、ダウンレギュレーション、または変異を受けることが示されています。^{[ 12 ]}上流のシグナルが変化すると、下流のターゲット、つまり Rho タンパク質の活性が変化します。

Ellenbroek らは、癌細胞における Rho 活性化のさまざまな影響について概説した。まず、腫瘍の発生初期には、Rho 活性の修飾によりアポトーシスが抑制され、人工的な細胞寿命の延長に寄与する。自然なアポトーシスが抑制された後、Rho タンパク質が重要な役割を果たす極性の喪失により、異常な腫瘍増殖が観察される。次に、増殖する塊は、Rho タンパク質によって引き起こされる可能性のある接着タンパク質の変化により、正常な境界を越えて侵入することができる。^{[ 12 ]}最後に、アポトーシス、細胞極性、および接着分子の阻害後、癌塊は自由に転移し、体の他の領域に広がることができる。