ストレスファイバー

ストレスファイバー
ストレスファイバー - F-アクチンの蛍光顕微鏡写真で可視化
識別子
メッシュ	D022502
TH	H1.00.01.1.02033
解剖学用語 [Wikidataで編集]

ストレスファイバーは、非筋細胞に見られる収縮性アクチン束です。 ^[1]ストレスファイバーはアクチン（マイクロフィラメント）と非筋ミオシンII（NMMII）で構成されており、α-アクチニンなどのさまざまな架橋タンパク質も含み、非筋細胞内で高度に制御されたアクチンミオシン構造を形成します。^{[2]ストレスファイバーは細胞収縮に重要な役割を果たし、}細胞接着、移動、形態形成などの多くの機能に力を提供することが示されています。

ストレスファイバーは主にアクチンとミオシンから構成されています。アクチンは約 43kDa の球状タンパク質で、重合して長いフィラメント構造を形成します。これらのフィラメントは、2 本のアクチンモノマー (またはプロトフィラメント) が互いに巻き付いて 1 本のアクチンフィラメントを形成します。アクチンモノマーは対称分子ではないため、フィラメントはアクチンモノマーの構造に基づいて極性を持ち、アクチンフィラメントの一方の端がもう一方の端よりも速く重合します。より速く重合できる端はプラス端と呼ばれ、より遅く重合できる端はマイナス端と呼ばれます。ストレスファイバーは通常 10～30 本のアクチンフィラメントから構成されています。^[3]ストレスファイバーは、反平行のマイクロフィラメントから構成されています。アクチンフィラメントは長さに沿って束ねられ、束の両端でプラス端とマイナス端が混ざり合っています。ストレスファイバー内のアクチンフィラメントの逆平行配列は、逆平行アクチン結合ドメインを含むアクチンフィラメント架橋タンパク質であるα-アクチニンによって強化されます。これらの束はその後、NMMII によって架橋され、ストレスファイバーを形成します。

RhoファミリーのGTPaseは、ストレスファイバーの形成を含むアクチン細胞骨格のダイナミクスの多くの側面を制御します。RhoA（単に「Rho」と呼ばれることもあります）はストレスファイバーの形成を担っており、ストレスファイバー形成におけるその活性は、1992年にRidleyとHallによって初めて発見されました。^[4] GTPに結合すると、RhoはRho関連コイルドコイル形成キナーゼ（ROCK）とショウジョウバエのdiaphanous（mDia）の哺乳類ホモログを活性化します。^[5] mDiaは、長いアクチンフィラメントを核形成して重合するフォルミンです。ROCKは、MLCP（ミオシン軽鎖ホスファターゼ）とNMMII軽鎖をリン酸化するように作用するキナーゼで、MLCPを不活性化してミオシンを活性化します。^[6]これにより活性化ミオシンモータータンパク質が蓄積し、mDiaによって重合されたアクチンフィラメントに結合してストレスファイバーを形成します。さらに、ROCKはLIMキナーゼをリン酸化して活性化します。^[7] LIMキナーゼは次にコフィリンをリン酸化して不活性化し、アクチンフィラメントの分解とリサイクルを防ぎ、ストレスファイバーの完全性を維持します。^[8]

ストレスファイバーは細胞機能において以下の役割を果たします。

ストレスファイバーは、接着結合、タイトジャンクション、焦点接着の形成など、細胞間および細胞-ECM接着の形成と維持に必要です。^{[9] [10]}

接着結合は、運動性細胞と非運動性細胞の両方に存在する細胞間接着構造の一種であり、カドヘリンとネキシンの同種親和性結合を介して細胞を接着します。^[11]ストレスファイバーは、カドヘリン依存性およびネキシン依存性の細胞間接触の維持に重要な役割を果たしており、^[12] RhoファミリーGTPaseは接着結合の構造と完全性を制御することがわかっています。^[13] α-カテニンとβ-カテニンは接着結合の不可欠な要素であり、結合してカドヘリン-α-カテニン-β-カテニン複合体を生成します。^[14]初期の研究では、α-カテニンがアクチンフィラメントと相互作用できることが示されており、α-カテニンがアクチン細胞骨格を接着結合に結び付けていると考えられています。^[15]しかし後に、α-カテニンはβ-カテニンとカドヘリンに結合していない場合にのみF-アクチンに結合できることが判明した。^[16]

最近、α-カテニンはフォルミン^[17]、EPLIN、ビンキュリンと関連することが示されています。EPLINはアクチンフィラメントの束化と安定化を促進することがわかっており、^[18]ビンキュリンは接着分子とアクチン細胞骨格の結合に関与しています。これは、アクチンが接着結合にどのようにリクルートされるかのメカニズムとして機能する可能性があります。^[19]

タイトジャンクション、または閉塞帯は、組織内または組織間の半透性バリアの形成に最も重要な細胞要素です。^[20]タイトジャンクションは主に、細胞間接触を形成する膜タンパク質であるクローディンとオクルディン、およびタイトジャンクションをアクチン細胞骨格にリンクするZO-1、ZO-2、ZO-3で構成されています。^[21]しかし、タイトジャンクションは、焦点接着や接着結合の場合のように、ストレスファイバーに直接リンクされていることは確認されていません。

接着斑は細胞をECMに結びつけるために使用される高分子集合体である。接着斑はECM関連インテグリン層、膜関連力伝達層、アクチンストレスファイバーからなるアクチン層の3つの機能層から構成される。^[22]名前や層名が示すように、接着斑は機械的伝達と細胞移動に大きな役割を果たしている。接着斑は通常ストレスファイバーに結びついており、実際、ストレスファイバーの収縮性は接着斑の維持に必要である。^[23]

多くの細胞に共通する重要な特徴は、特定の機械的刺激 (デュロタキシス) または化学的刺激(ケモタキシス) に向かって移動する能力である。 ^[24]細胞の移動は、3つのRhoファミリーGTPase、Rho、Rac、およびCdc42の協調作用によって起こる。 GTP結合すると、Racはラメリポディアの形成を引き起こし、Cdc42はフィロポディアの形成を引き起こし、それによって細胞の移動が促進される。 移動する細胞には、腹側ストレスファイバー、横弧、および背側ストレスファイバーという3つの主なタイプのストレスファイバーがある。^[25] 腹側ストレスファイバーは、両端の焦点接着と関連しており、細胞の腹側表面に位置し、接着と収縮に機能する。^[26]横弧は焦点接着と直接リンクしておらず、通常は細胞の前縁から細胞中心に向かって流れている。^[27]背側ストレスファイバーは細胞の前縁に位置する。これらは前縁の腹側表面の焦点接着部に付着し、背側に伸びて細胞中心に向かって横方向の弧に付着する。^{[28]細胞移動の際、ストレスファイバー内のアクチンフィラメントは}逆行性アクチンフローのプロセスによってリサイクルされる。焦点接着部の溶解メカニズム自体は十分に解明されていない。

細胞レベルでの形態形成は、細胞に形を与えたり、細胞の構造を定義したりすることと定義できます。アクチン細胞骨格を含む細胞骨格の組み立ては、細胞の形態形成を指定し、細胞に形を与える決定要因です。したがって、細胞内のストレスファイバーの収縮性は、細胞の形態形成を決定するのに役立ちます。たとえば、接着結合の円周収縮性アクチンベルトは、細胞の形態形成に寄与します。^{[29]また、背側のストレスファイバー、横方向の弧、および腹側のストレスファイバーは、細胞移動中の細胞形態の決定に役立ちます。細胞形態形成のより詳細な説明については、}こちらをご覧ください。

マイクロフィラメントと微小管はどちらも機械的伝達において重要な役割を果たします。アクチン細胞骨格では、機械的伝達は細胞-ECM 接着と細胞-細胞接着で、それぞれ焦点接着と接着結合を介して発生します。^[30]細胞の外部から内部への力の伝達は、接着の成熟または分解を制御し、細胞の挙動を変えることができる細胞内シグナル伝達カスケードを開始できます。^[31]また、細胞は機械的ストレスに遭遇するとストレスファイバーを組み立てることが知られています。^[32]たとえば、硬い基質上で成長した細胞は厚いストレスファイバーを示しますが、より柔らかい基質上で成長した細胞に見られるストレスファイバーはそれほど顕著ではありません。^{[33]ストレスファイバーによって焦点接着に伝達される機械的力は、p130Cas [34]}やタリンなどの機械感受性焦点接着タンパク質の構造も変化させることができ、^[35]ストレスファイバーの収縮性が機械的シグナルを生化学的シグナルに変換する可能性があることを示唆しています。また、核周縁アクチンキャップ（核の上部）で終結し、LINC複合体によってそこに固定される、接着斑関連インテグリンの小さなサブセットも存在します。^[36]これらのキャップ関連接着斑は、機械感覚における主要なメディエーターとして確立されており、接着斑から核への機械的刺激の伝達のための直接的な経路を表しています。^[37]

ストレスファイバーの構造は、運動性細胞と非運動性細胞で異なります。^[38]運動性細胞と非運動性細胞のストレスファイバーは、どちらもα-アクチニンとミオシンIIによって架橋されたアクチンフィラメントを含むという点で似ていますが、ストレスファイバー内の個々のアクチンフィラメントの空間的な向きは、運動性細胞と非運動性細胞で異なります。^[39]運動性細胞の腹側領域のストレスファイバーは、ストレスファイバーの縦軸に沿って個々のアクチンフィラメントの向きが全体的にシフトしており、フィラメントのプラス端は常に主に接着斑の方向を向いています。^[40]非運動性細胞の腹側領域のストレスファイバーは、サルコメアの構成に似た周期的な極性を示します。^[41]

上で述べたように、Rho はストレス ファイバーの形成に関与しています。Rho ファミリーの GTPase の調節異常は多くの疾患に関係しています。Rho GTPase をターゲットとする一般的な臨床応用については、こちらをご覧ください。