クマムシ特有のタンパク質

クマムシ特有のタンパク質は、クマムシに特有の天然変性タンパク質の一種です。これらのタンパク質はクマムシが乾燥に耐えるのを助けます。これはクマムシの極限環境耐性に寄与する適応の 1 つです。クマムシ特有のタンパク質は環境の影響を強く受け、さまざまな極限非生物環境にわたって適応性を発揮します。

クマムシの乾燥防御機構は、もともと糖類トレハロースが高濃度であることに起因すると考えられていた。酵母などの生物はトレハロースを熱ショックタンパク質^[1]と連携して乾燥に敏感なタンパク質を溶液状態に保つことで、乾燥環境での乾燥を回避するために使用する。^{[2] [3]}しかし、クマムシは少量のトレハロースを蓄積できるものの、その量は極限状態から保護するには不十分である。^[4]特定の生物が細胞の乾燥を回避するのに役立つ他の分子には、胚発生後期に豊富に含まれるタンパク質があり、これは胚の綿種子を保護する。^[5]クマムシの耐寒性に実際に関与する特定のタンパク質（細胞質に豊富に含まれる熱可溶性タンパク質や分泌物など）は、クマムシの後期胚発生に豊富に含まれるタンパク質を探索しているときに発見された。^[6]

クマムシが乾燥した環境で生き残るために用いる戦略の一つは、無水生活である。無水生活とは、生物がほぼすべての水分を失い、無代謝状態になるプロセスである。^[7]

クマムシ特有のタンパク質は、決まった形や役割を持たない、本質的に無秩序なタンパク質の一種である。これらのタンパク質は、アンサンブルと呼ばれる多くの異なる立体配座を使用して、異なる構造を移動する。このため、本質的に無秩序なタンパク質は、生息する環境に強く反応する可能性がある。 ^[8]クマムシ特有のタンパク質には3つのファミリーがあり、それぞれ細胞内でタンパク質が局在する場所にちなんで名付けられている。これらのタンパク質は、後期胚発生に豊富に含まれるタンパク質に似ているが、クマムシに特有である。3つのファミリーは互いに似ておらず、乾燥時に発現または濃縮される。従来のタンパク質とは異なり、本質的に無秩序なタンパク質は溶液から沈殿したり、高温でも変性したりしない。^[9]クマムシはこれらのタンパク質を頼りに、体をタンと呼ばれる脱水状態にする極限環境で生き延びる。ほとんどの生物では、脱水は細胞に問題を引き起こし、タンパク質が機能するためには水和した環境が必要である。しかし、クマムシ特有のタンパク質は、脱水時に細胞の内容物が凝集するのを防ぎ、再水和時に細胞膜の完全性を維持するのに役立ちます。

細胞質に豊富に含まれる熱可溶性タンパク質（CAHS）は、乾燥に反応して高発現する。クマムシにおけるその機能については2つの仮説がある。ガラス化仮説は、クマムシが乾燥すると、細胞内の粘度が上昇し、タンパク質の変性と膜融合が停止するという考え方である。^[10] 2つ目の仮説である水置換仮説は、CAHSタンパク質が他の乾燥に敏感なタンパク質の水を置換し、通常は水に依存する水素結合を保護するとしている。^[11] CAHSタンパク質は通常の状態では細胞全体に分散しているが、環境ストレスのかかる状態になるとフィラメントのネットワークを形成する。このネットワークは細胞質をゲル状のマトリックスに変え、水が浸出したときに細胞が崩壊するのを防ぐ。^[12]この状態は可逆的で、ストレスの少ない状態にさらされるとタンパク質は分解する。^[13]

フィラメントネットワークを形成する際、CAHSタンパク質は互いにコイル状に相互作用する長いらせん状のドメインを持ちます。これらの相互作用は、タンパク質の部分的な無秩序性によって可能になり、2つの柔軟な尾部がらせん状のドメインを囲んでいます。^[14]

CAHSタンパク質は、他の種が乾燥を防ぐために使用する糖であるトレハロースとの相互作用を観察するために研究されてきました。トレハロースは、スクロースなどの他の糖よりもCAHSタンパク質と高いレベルで相互作用することがわかりました。^[15]トレハロースは、ほとんどのクマムシの種で平均1％しか含まれておらず、3％を超える種はありません。これは、クマムシが脱水に耐えるために他の戦略を使用していることを示しています。^[6]

マウスに注入されたクマムシCAHSタンパク質は炎症反応や溶血を引き起こさなかった。^[16]

分泌型多量熱可溶性タンパク質（SAHS）は脂肪酸結合タンパク質と類似しており、特に反平行βバレルと内部脂肪酸結合ポケットの構造が類似している。^{[17] [18]} SAHSタンパク質は培地中に分泌されることが多く、特殊な細胞外構造と関連している。^[19]乾燥したクマムシには、水分を補給した個体には見られない分泌細胞が豊富に存在する。SAHSタンパク質の背後にあるメカニズムはまだ解明されていないが、乾燥時にのみ分泌細胞が存在することから、脱水期間中に細胞を保護するために分泌細胞が使用されていることが示唆される。

ミトコンドリアに豊富に存在する熱可溶性タンパク質（MAHS）はミトコンドリアに局在し、乾燥時にミトコンドリアを保護する役割を果たします。 ^[20]活性酸素種の代謝における役割のため、ミトコンドリアは極限環境で保護すべき重要な細胞小器官です。脱水状態の間、クマムシのミトコンドリアは非常に小さくなり、クリステを失います。^[5] MAHSタンパク質はミトコンドリアの膜内の水を補充する働きがあり、不均一な再水和と膜破裂を防止します。^[21]ミトコンドリアとミトコンドリアによる筋肉収縮は、クマムシが無水生活の「tun」状態に入るために不可欠です。^[22]

Dsupはクマムシに特有のDNA結合タンパク質であり^[23] 、放射線によるDNA切断の発生を抑制します。^{[24] [25] [26] [27]}核DNAに局在するDsupは、電離放射線にさらされたときに一本鎖切断と二本鎖切断を減少させます。^[28]

後期胚発生豊富タンパク質（LEAタンパク質）は、脱水や浸透圧ストレスによるタンパク質凝集を防ぐタンパク質です。しかし、クマムシにはLEAタンパク質は見つかっていません。^[6]