翻訳後修飾（PTM）は心臓病において細胞骨格タンパク質を調節する CYTOSKELETON NEWS 2016年7月号

循環器疾患は、米国における死因の約3分の1を占めており、その大部分は心臓病です¹。心臓病の病理学的検査では、心筋細胞（心臓の収縮および拍動を生み出す心臓の細胞）の死または機能障害が見られる場合が多くあります。心筋細胞の収縮機能の調節には、イオンチャネル／ポンプ、細胞骨格タンパク質、受容体などの多くのタンパク質や細胞機構が重要な役割を担っています。興味深いことに、これらのタンパク質の多くは、部分的に翻訳後修飾（PTM）を介して調節されています。翻訳後修飾（PTM）は、全体的な細胞応答の一部として、タンパク質を素早くかつ繊細に変化させることが可能です²。例えば、心不全を起こしたヒト心臓サンプルでは、重要な筋小胞体Ca²⁺/ATPアーゼ 2a (SERCA2a) のSUMO化が減少します³。興味深いことに、SERCA2a のSUMO化の回復は、心筋細胞の機能の修復に十分であることが示されており、SUMO化されたSERCA2a は治療介入のターゲットになり得ると考えられます。実際に、近年開発された低分子化合物である N106（SUMO活性化酵素 E1 リガーゼの活性化を介して SERCA2a のSUMO化を引き起こし、SUMO化を維持する）は、心不全を起こしたマウスの心室機能を改善します⁴。翻訳後修飾を受けたタンパク質が、心筋細胞の機能や心不全の進行に重要な役割を果たす例は、他にも多数報告されています²。本稿では、翻訳後修飾を受けた細胞骨格タンパク質が、心筋の収縮と心臓の正常な機能を促進する例を3つご紹介します。

微小管： α-チューブリン

微小管（MT）は、心筋細胞において、圧縮に対する抵抗成分としての機能、細胞内輸送の実行、収縮力を細胞内シグナルに変換することによるシグナル伝達の中継などの、複数の役割を担っています⁵。微小管は、α/ß-チューブリンからなるヘテロ二量体が重合して形成されます。特に、α-チューブリンのc末端領域は、グルタミン酸化、アセチル化、脱チロシン化などの多数の翻訳後修飾を受けています⁶。複数の研究で、チューブリンの翻訳後修飾がヒトの疾患の進行に関連することが示されています。α-チューブリンの脱チロシン化や、α-チューブリン尾部（C末端）のチロシン残基の切断は、特に注目されています。脱チロシン化は微小管ベースの機械的シグナル伝達に影響することから、この修飾を受けると細胞骨格の強度が増加し、心筋細胞の機能が変化します⁷。SiR-チューブリンを用いた高速でのサブ回折イメージングにより 、α-チューブリンの脱チロシン化は、微小管をサルコメアに固定して、収縮の際に微小管のバックリング（座屈）を調節するために重要であることが明らかにされています⁸（図1）。さらに、α-チューブリンの脱チロシン化は、肥大型／拡張型心筋症と診断された患者において優位に増加していましたが、アセチル化とグリコシル化は、微小管のバックリング（座屈）に特に重要な役割を果たしていませんでした⁸。心臓病において、どの翻訳後修飾が微小管の代替機能を調節しているのかを検討することは、大変興味深いです。

図1　静止状態で心筋細胞のサルコメア（筋節）に付着した微小管（MT）（A）。収縮に応答して微小管がバックリング（座屈）し、筋細胞の形状の変化に適応する（B）。微小管の脱チロシン化が減少すると、サルコメアへの付着が低下し、その結果、微小管はバックリング（座屈）せずに滑り込む（C）。

中間径フィラメント： デスミン

デスミンは、筋特異的に発現する中間径フィラメントタンパク質で、心筋細胞の収縮機構のための足場を形成します。デスミンの変異は、様々な心臓疾患において重要な役割を果たしており、デスミン心筋症（DRM: desmin-related myopathies）として分類されています⁵。デスミンは、リン酸化、ユビキチン化、ADP-リボシル化により、高度に翻訳後修飾されています⁹。重要なことに、デスミンの機能障害および筋関連疾患の進行に、これらの修飾が関与しています。例えば、絶食させたマウスの筋肉から調製した筋原線維では、デスミンがリン酸化されており、続いて起こるユビキチン化や分解のための目印となって、デスミンのタンパク質レベルを減少させます¹⁰。病態条件下の心筋細胞においてこの機構が生じるかどうかはわかっていませんが、他の研究で、心臓病においてデスミンのリン酸化による修飾が変化することが示されています¹¹。デスミンは、翻訳後修飾により高度に修飾されていることから、翻訳後修飾のクロストークが、デスミンの発現や切断、および機能の調節においてどのような重要性を持つのかを検討することは、心臓病との関連性の面からも大変興味深いです。

トロポニン複合体： 心筋トロポニン I（cTnI）

トロポニン複合体（三量体）は、カルシウムによって活性を制御され、アクチンフィラメント上のトロポミオシンの位置を調節する、サルコメア（筋節）の収縮における重要な調節因子です。トロポニン複合体を構成する成分の一つである心筋トロポニン I（cTnI）は、サルコメアの収縮における重要な調節因子として機能し、分解されると血中に流出することから、心臓病の重要なバイオマーカーとなります¹²。心筋トロポニン I は、複数の部位でリン酸化されて、トロポニン複合体の形成や心筋細胞の機能に影響を与えると考えられていますが、ヒトの心臓病ではリン酸化の状態が変化することが報告されています¹²。心筋トロポニン I のその他の翻訳後修飾についてはほとんどわかっていませんが、ヒト心臓に由来する精製心筋トロポニン I を用いたプロテオミクス研究により、心筋トロポニン I がアセチル化、酸化、切断、リン酸化を受ける可能性があることが示されています¹³。しかし、この研究はゲル上のシングルバンドを用いて解析を行っており、ユビキチン化やSUMO化などの修飾を見落としている可能性があります。心臓病において、心筋トロポニン I の機能が翻訳後修飾によって調節されているかどうかは、ほとんどわかって（同定されて）いません。しかし、心筋トロポニン I は重要な疾患バイオマーカーであることから、翻訳後修飾についての研究は有意義であると考えられます。

まとめ

本稿では、翻訳後修飾が、細胞骨格タンパク質において重要な役割を担っており、広く調節に関わっていること、また、ヒトの健康および心不全などの疾患に対して重大な影響をもたらすことを説明しました。心臓病の潜在的な治療ターゲットとして、翻訳後修飾が注目を集めています。翻訳後修飾の新たなターゲットを同定するための新しいツールが開発されており、細胞骨格タンパク質を翻訳後修飾依存的に調節する新しいメカニズムの発見が期待されています。Cytoskeleton社の Signal Seeker™ キットは、翻訳後修飾を受けたタンパク質を生理条件下で解析することが可能で、疾患の進行における役割を検討するためにご利用いただけます。

■ CYTOSKELETON NEWS バックナンバー

• 2020年10月号　紡錘体 - 可視化に向けた新規ツール
• 2020年8月号　細胞膜染色用蛍光プローブ
• 2020年4月号　生細胞におけるF-アクチンプローブ
• 2020年3月号　コロナウイルスと細胞骨格
• 2020年2月号　タウ（Tau）の将来性をMapping
• 2020年1月号　Rho GTPaseによる細胞遊走制御

• 2019年12月号　表現型プロファイリング：アクチンに焦点を当てたがん治療
• 2019年11月号　チューブリンの過剰グルタミル化、ミトコンドリア、神経変性
• 2019年9月号　細胞運動性を制御するために相互作用する膜張力とアクチン細胞骨格
• 2019年8月号　Rac1B、がん、およびRac1
• 2019年7月号　Rhoファミリー GTPases、神経可塑性、およびうつ状態
• 2019年6月号　アクチンメチオニン酸化： 動的制御の次の段階
• 2019年5月号　ミクログリアと神経変性疾患
• 2019年2月号　生細胞画像化に対するCNS疾患や障害

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