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セプチンは、植物を除くすべての真核細胞で発現するGTP結合タンパク質 のグループです 。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]異なるセプチンは互いにタンパク質複合体を形成します。これらの複合体はさらにフィラメント、リング、ガーゼに組み立てられます。このように組み立てられたセプチンは、他のタンパク質を局在化することによって細胞内で機能します。これは、タンパク質が結合できる足場を提供するか、分子が細胞のある区画から別の区画へ拡散するのを防ぐ障壁を形成することによって行われます。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]または、細胞皮質で膜結合タンパク質の拡散に対する障壁として機能します。[ 6 ]
セプチンは、細胞分裂部位や、繊毛や鞭毛などの特殊な構造が細胞体に付着する細胞膜部位における細胞プロセスの局在化に関与していることが示唆されている。 [ 4 ]酵母細胞では、細胞の一部を区画化し、細胞分裂中に隔壁で構造的サポートを提供する足場を構築する。この隔壁からセプチンという名前が付けられている。[ 3 ]ヒト細胞での研究では、セプチンが病原性細菌の周りにケージを構築し、細菌を固定して他の細胞への侵入を防ぐことが示唆されている。[ 7 ]
フィラメント形成タンパク質として、セプチンは細胞骨格の一部とみなすことができる。[ 4 ]セプチンは非極性フィラメントを形成するだけでなく、細胞膜、細胞皮質、アクチンフィラメント、微小管とも結合する。[ 4 ] [ 6 ]
セプチンは、分子量が30～65 kDaのPループNTPaseタンパク質です。セプチンは、異なる真核生物種間で高度に保存されています。セプチンは、膜結合に重要な塩基性ホスホイノシチド結合モチーフを持つ可変長のプロリンリッチN末端、 GTP結合ドメイン、高度に保存されたセプチン固有要素ドメイン、および長さの異なるコイルドコイルドメインを含むC末端伸長部から構成されています。 [ 4 ]
セプチンは、それぞれのGTP結合ドメインを介して、またはN末端とC末端の両方を介して相互作用します。異なる生物は異なる数のセプチンを発現し、それらから対称オリゴマーが形成されます。たとえば、酵母では、形成される八量体複合体はCdc11-Cdc12-Cdc3-Cdc10-Cdc10-Cdc3-Cdc12-Cdc11です。[ 8 ]ヒトでは、六量体または八量体の複合体が可能です。当初、ヒトの複合体はSept7-Sept6-Sept2-Sept2-Sept6-Sept7であると示されていました。[ 9 ]しかし最近、この順序は Sept2-Sept6-Sept7-Sept7-Sept6-Sept2 [ 10 ]（または八量体ヘテロオリゴマーの場合は Sept2-Sept6-Sept7-Sept3-Sept3-Sept7-Sept6-Sept2 [ 11 ]）に改訂されました。これらの複合体はその後会合して、細胞内で非極性フィラメント、フィラメント束、ケージ、または環状構造を形成します。[ 4 ]
Saccharomyces cerevisiaeには 7 種類のセプチンが存在する。そのうち 5 種類は有糸分裂に関与し、2 種類 (Spr3 と Spr28) は胞子形成に特異的である。[ 2 ] [ 3 ]有糸分裂セプチン (Cdc3、Cdc10、Cdc11、Cdc12、Shs1) は細胞分裂中に芽頸部に環状構造を形成する。[ 2 ] [ 4 ]これらは芽部位の選択、有糸分裂紡錘体の位置決め、極性成長、細胞質分裂に関与している。胞子形成セプチン (Spr3、Spr28) は Cdc3 および Cdc11 とともに前胞子膜の端に局在する。[ 2 ]
セプチンは、セプチン皮質として知られる細胞皮質の特殊な領域を形成します。[ 12 ]セプチン皮質は、細胞周期を通していくつかの変化を受けます。最初に目に見えるセプチン構造は、芽の出現の約15分前に現れる明確なリングです。芽の出現後、リングは広がり、母芽の首の周りに砂時計の形になります。細胞質分裂の間、セプチン皮質は二重リングに分裂し、最終的に消失します。セプチン皮質は、その機能の一部が安定した構造であることを必要とする可能性があるにもかかわらず、どのようにしてこのような劇的な変化を受けることができるのでしょうか。FRAP分析により、細胞周期中に首のセプチンのターンオーバーが複数回変化することが明らかになりました。主要な機能的コンフォメーションは、セプチンがリン酸化されている低いターンオーバー率（凍結状態）によって特徴付けられます。構造変化には、出芽、環分裂、細胞分離に先立って脱リン酸化によって誘発されるセプチン皮質の不安定化（流動状態）が必要である。 [ 3 ]
セプチン皮質の構成は、細胞周期全体を通して変化するだけでなく、母細胞と芽細胞の軸に沿っても変化する。このセプチンネットワークの極性により、一部のタンパク質は主に頸部の母細胞側に、一部は中央部に、そしてその他は芽細胞部位に集中することが可能となる。
セプチンは足場として機能し、多くのタンパク質をリクルートする。これらのタンパク質複合体は、細胞分裂、キチン沈着、細胞極性、胞子形成、形態形成チェックポイント、紡錘体整列チェックポイント、および出芽部位の選択に関与している。
出芽酵母の細胞質分裂は、セプチンに依存する2つの冗長なプロセス、すなわちアクチンミオシン環の動員と収縮、および小胞と細胞膜の融合による隔壁の形成によって進行する。セプチン変異体とは対照的に、いずれか一方の経路が阻害されても細胞質分裂が遅れるだけで、細胞分裂が完全に失敗することはなかった。したがって、セプチンは細胞質分裂の最も上流の段階で作用すると予測される。
出芽酵母における等方性-頂端性転換後、おそらくエキソシストとポラリソームの皮質成分は、頂端極から出芽細胞の形質膜全体に非局在化するが、母細胞には局在しない。頸部のセプチンリングは、これらの因子が2つの区画間で膜拡散するのを防ぐ皮質バリアとして機能する。この非対称分布は、セプチン変異体では消失する。
セプチン遺伝子の条件付き変異体の中には、正常な軸方向の位置に芽を形成しないものもある。さらに、これらの変異体では、芽の位置選択に関わる因子が頸部の二重リングに局在する典型的なパターンが消失または乱れている。このことから、セプチンは軸方向に芽を出す細胞において、こうした因子の固定部位として機能している可能性が示唆される。
S. cerevisiaeで発見されて以来、セプチン相同体は糸状菌を含む他の真核生物種でも見つかっている。糸状菌のセプチンは単一細胞内でさまざまな形状を示し、糸状形態の様々な側面を制御している。[ 13 ] [ 14 ]
カンジダ・アルビカンスのゲノムは、サッカロミセス・セレビシエのすべてのセプチンに相同な遺伝子をコードしている。Cdc3 および Cdc12 遺伝子がないとカンジダ・アルビカンスは増殖できず、他のセプチンは形態やキチン沈着に影響を与えるが、必須ではない。カンジダ・アルビカンスは栄養成長のさまざまな形態を示すことができ、それがセプチン構造の出現を決定する。新たに形成される菌糸は基部にセプチン環を形成し、菌糸の隔壁形成部位には二重環が形成され、菌糸の先端にはセプチンキャップが形成される。細長いセプチンフィラメントが球状の厚膜胞子を取り囲む。隔壁形成部位のセプチンの二重環は成長極性も持ち、成長先端環は分解するが、基底環はそのまま残る。[ 13 ]
A. nidulansには5つのセプチン（AnAspAp、AnAspBp、AnAspCp、AnAspDp、AnAspEp）が存在する。AnAspBpは隔壁形成部位で単一のリングを形成し、それが最終的に二重リングに分裂する。さらに、AnAspBpは枝の発生部位でリングを形成し、枝が成長するにつれてバンドに広がる。C . albicansと同様に、二重リングは菌糸の極性を反映している。Aspergillus nidulansの場合、極性は基部側のリング（菌糸の成長先端から遠いリング）の分解によって伝達され、先端側のリングはそのまま残る。これは成長誘導の手がかりとなる可能性がある。[ 2 ] [ 13 ]
子嚢菌A. gossypiiは、 S. cerevisiaeのすべてのセプチンに相同な遺伝子を持ち、そのうち1つは重複している（AgCDC3、AgCDC10、AgCDC11A、AgCDC11B、AgCDC12、AgSEP7）。AgSep7p - GFPの生体内研究では、セプチンが成長先端と分岐形成部位の近くで不連続な菌糸環に、分岐点の基部で非対称構造に集合することが明らかになっている[ 2 ] 。環は、成長先端の近くでは長く拡散したフィラメントと、先端から離れたところで短く密なフィラメントで構成されている。隔壁形成中、セプチン環は2つに分裂して二重環を形成する。Agcdc3Δ 、Agcdc10Δ、Agcdc12Δの欠失変異体は異常な形態を示し、アクチン環形成、キチン環形成、胞子形成に欠陥がある。隔壁が欠如しているため、セプチン欠損変異体は非常に感受性が高く、単一の菌糸の損傷が若い菌糸体の完全な溶解を引き起こす可能性がある。
酵母のセプチンや動物の他の細胞骨格成分とは対照的に、セプチンは細胞内で連続したネットワークを形成するのではなく、細胞皮質の細胞質内に分散した複数のネットワークを形成する。これらはアクチン束や微小管と統合されている。例えば、アクチン束形成タンパク質であるアニリンは、セプチン構造の適切な空間制御に必要である。[ 5 ]哺乳類の精子細胞では、セプチンは尾部に環状構造と呼ばれる安定したリングを形成する。マウス（そしておそらくヒトでも）では、環状構造の形成異常が男性不妊につながる。[ 4 ] [ 5 ]
ヒトでは、セプチンは他のタンパク質をリクルートしたり拡散バリアとして機能したりすることで、細胞分裂、繊毛形成、神経発生に関与しています。セプチンをコードするヒト遺伝子は13種類あります。これらの遺伝子によって産生されるセプチンタンパク質は、それぞれ創始メンバーにちなんで名付けられた4つのサブファミリーに分類されます。(i) SEPT2 ( SEPT1、SEPT4、SEPT5 )、(ii) SEPT3 ( SEPT9、SEPT12 )、(iii) SEPT6 ( SEPT8、SEPT10、SEPT11、SEPT14 )、(iv) SEPT7。セプチンタンパク質複合体は、ヘテロ六量体（ 3つの異なるグループから選択されたモノマーを組み込み、各グループのモノマーは2コピーずつ存在します。3 x 2 = 6）またはヘテロ八量体（4つの異なるグループのモノマー、各モノマーは2コピーずつ存在します。4 x 2 = 8）のいずれかを形成するように組み立てられます。これらのヘテロオリゴマーは、フィラメントやリングなどのより高次の構造を形成します。[ 4 ] [ 5 ] [ 1 ]
セプチンは細菌病原体の周囲にケージ状の構造を形成し、有害な微生物を固定して健康な細胞への侵入を防ぎます。この細胞防御システムは、赤痢やその他の病気の治療法の開発に利用できる可能性があります。たとえば、赤痢菌はヒトに致命的な下痢を引き起こす細菌です。細胞から細胞へと増殖するために、赤痢菌はアクチンポリマーの「尾」を発達させ、微生物を推進させ、隣接する宿主細胞への侵入を可能にします。免疫応答の一部として、ヒト細胞はTNF-αと呼ばれる細胞シグナル伝達タンパク質を産生し、感染した宿主細胞内の微生物を囲むセプチンフィラメントの太い束を誘発します。[ 15 ]これらのセプチンケージに閉じ込められた微生物はオートファジーによって分解されます。[ 16 ]セプチンの機能障害や、セプチンをコードする遺伝子の変異は、白血病、結腸癌、パーキンソン病やアルツハイマー病などの神経変性疾患の原因に関与している可能性がある。これらの疾患、および赤痢菌による赤痢などの細菌性疾患に対する潜在的な治療法は、 TNF-αの作用を模倣し、セプチンケージの増殖を可能にする薬剤で体の免疫システムを強化する可能性がある。 [ 7 ]
線虫Caenorhabditis elegansにはセプチンをコードする遺伝子が 2 つあり、セプチン複合体は 2 種類のセプチンが四量体 UNC59-UNC61-UNC61-UNC59 複合体として含まれています。C.elegans のセプチンは細胞分裂時に分裂溝と紡錘体中央部に集中します。セプチンはC.elegansの細胞移動と軸索誘導にも関与しています。[ 2 ]
ミトコンドリアに局在するセプチンはミトコンドリアセプチン（M-セプチン）と呼ばれている。発達中のラット脳においてCRMP /CRAM相互作用タンパク質として同定された。[ 17 ]
セプチンは、1970 年にLeland H. Hartwellと同僚が酵母 ( Saccharomyces cerevisiae ) の細胞分裂に影響を与える温度感受性変異体(cdc 変異体)のスクリーニングで発見しました。スクリーニングにより、制限温度で細胞質分裂を阻害する 4 つの変異体が明らかになりました。対応する遺伝子は、元の 4 つのセプチン、ScCDC3、ScCDC10、ScCDC11、およびScCDC12を表しています。[ 3 ] [ 4 ]細胞質分裂が阻害されたにもかかわらず、細胞は出芽、DNA 合成、および核分裂を続け、その結果、複数の細長い芽を持つ大きな多核細胞が形成されました。1976 年に電子顕微鏡写真の分析により、野生型細胞では母細胞と芽の頸部の周りに10 nm のフィラメントの約 20 本の均等な間隔の縞模様が見られましたが、セプチン変異体細胞では見られませんでした。[ 3 ] [ 4 ] [ 13 ]免疫蛍光研究により、セプチンタンパク質がネックのセプチンリングに共局在することが明らかになった。 [ 4 ] [ 13 ] 4 つのセプチンすべての局在は、条件付きSccdc3およびSccdc12変異体で破壊されており、セプチンタンパク質の相互依存性を示している。この発見を強く支持する生化学的研究が行われた。4 つの元のセプチンは、 ScSEP7またはScSHS1によってコードされる 5 番目のセプチンタンパク質とともに、アフィニティー カラムで共精製された。出芽酵母、ショウジョウバエ、アフリカツメガエル、および哺乳類細胞から精製されたセプチンは、試験管内で自己会合してフィラメントを形成することができる。[ 13 ]セプチンが試験管内でどのように相互作用してヘテロオリゴマーを形成し、それがフィラメントに組み立てられるかは、S. cerevisiaeで詳細に研究された。
精製されたフィラメントの顕微鏡写真から、セプチンが母芽軸に平行に配置されている可能性が示唆された。電子顕微鏡写真に見られる10nmの縞模様は、フィラメント間の側方相互作用の結果である可能性がある。セプチン組織化に重要な因子を欠損した変異株は、この見解を裏付けている。ScGIN4 、ScNAP1、ScCLA4の欠失変異体では、セプチンは連続した環状構造ではなく、母芽軸に沿って配向した棒状構造を形成する。