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ビメンチン中間径フィラメント: リン酸化による調節 CYTOSKELETON NEWS 2016年1月/2月号

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CYTOSKELETON NEWS 2016年1月/2月号 ビメンチン中間径フィラメント: リン酸化による調節

ビメンチン中間径フィラメント: リン酸化による調節

はじめに

中間径フィラメント(IF: Intermediate filament)は、動物細胞の細胞骨格を構成する3種類の繊維の1つです。中間径フィラメントは非常に動的な構造であり、間期および有糸分裂期を通して、アクチン繊維系とチューブリン繊維系を組織化し、細胞のシグナル伝達・運動・構造・接着を調節するために不可欠です。中間径フィラメントの機能および局在は、リン酸化・SUMO化・ADPリボシル化・O-GlcNAc化などの翻訳後修飾(PTM: post-translational modification)によって調節されます1-4。代表的な中間径フィラメントとして、ビメンチンが挙げられます。ビメンチンは、培養細胞・腫瘍細胞・間充織やビメンチン繊維に由来する細胞の大部分に見られるタイプ III 中間径フィラメントタンパク質で、上皮間葉転換のマーカーとされています5,6。本稿では、ビメンチンとリン酸化によるビメンチンの調節に注目します。リン酸化によって、ビメンチン中間径フィラメントの重合/脱重合(ダイナミクス)、ビメンチンの結合パートナー、ビメンチンの細胞運動における役割などが調節されます。

 

リン酸化とビメンチンのダイナミクス

ビメンチンは、PKA7、MAPKAP K-28、CaMKII1-4、RhoA kinase (ROCK)9,10、Cdk111,12、Plk112、Akt113、PKC7,14、Raf-1-associated kinase15、PAK16、PDGF17、Aurora B18 などの様々なキナーゼによって修飾されます。これらのキナーゼは、Tyr17,19,20 および Ser/Thr 残基2,3 を標的にします(表1)。本章では、Tyr 残基と比較して、より解明の進んでいる Ser/Thr 残基について論じます。

リン酸化を介したビメンチンのダイナミクスの調節は、有糸分裂期や、間期における細胞の構造や運動性にとって不可欠です。ビメンチン中間径フィラメントの脱重合は、細胞質分裂に必須のステップです。有糸分裂期にビメンチン中間径フィラメントがリン酸化されることで繊維の脱重合が起こり、新しく形成された2つの娘細胞の正常な分離が可能になります1-4,21。サイクリン依存性キナーゼ1(Cdk1)は、前中期から中期にかけてビメンチンの Ser55 をリン酸化し、中間径フィラメントの脱重合を引き起こします11,12,22。また、このリン酸化をきっかけとして polo様キナーゼ1(Plk1)がビメンチンに直接結合し、中期から有糸分裂期の終わりにかけて Plk1 を活性化し、ビメンチンの Ser82 をリン酸化します12。Plk1を介したリン酸化は、ビメンチン繊維の重合を多少減少させます。ビメンチンは、これらのキナーゼの他に、有糸分裂の際に ROCK および Aurora B によってもリン酸化されます。ROCK はビメンチンの Ser71 と Ser38 をリン酸化し9、Aurora B は Ser72 を標的にします18。どちらのキナーゼも、後期から有糸分裂の終わりにかけて分裂溝でビメンチンをリン酸化し、ビメンチンフィラメントの再構成を引き起こします9,18

ビメンチンのダイナミクスを仲介するその他のキナーゼには、PAK と PKA があります。PAK は、ビメンチンの Ser56 をリン酸化し、ビメンチンフィラメントを脱重合させます16。ビメンチンのリン酸化部位は複数同定されていますが、主なリン酸化部位は Ser38 と Ser72 の2つです7(表1)。これらの残基のリン酸化により、ビメンチンフィラメントの重合が阻害されます7

アミノ酸残基 キナーゼ 参考文献
Ser4 PKA, PKC 7
Ser6 PKA, PKC 7,14,21
Ser7 PKA, PKC 7
Ser8 PKA, PKC 7
Ser9 PKA, PKC 7
Ser33 PKC 9,14,21
Ser38 (or Ser39*) PKC, CaMKII, ROCK, PKA, MAPKAP-K2, Akt* 7-9,13*,21
Ser41 PKA 7
Ser50 MAPKAP-K2, PKC 8,21
Ser55 (or Ser56*) Cdk1, PKA, MAPKAP-K2, PAK* 8,9,11,12,16*
Ser71 PKA, ROCK 7,9,21
Ser72 PKA, Aurora B 7,18,21
Ser82 Plk1, CaMKII, MAPKAP-K2 8,9,12,21
Ser418 PKA 7
Ser429 PKA 7
Ser458 PKA 7
Thr457 PKA 7

表1 ビメンチンのリン酸化部位
参考文献7の方法に従い、開始メチオニンを除いた番号を示します。文献によっては、メチオニンから数えることに注意。
*Ser56 は Ser55 と、Ser39 は Ser38 と同じ残基です。詳細については総説を参照してください1-4

リン酸化とビメンチンの結合

ビメンチンのリン酸化は、ビメンチンと他のタンパク質との結合も調節します。14-3-3 タンパク質は、ビメンチンのN末端(頭部)ドメインに結合し、細胞のシグナル伝達と細胞周期の制御に関わる 14-3-3 パートナータンパク質(発癌性 Raf など)の結合および活性化を阻害します23。14-3-3 タンパク質がビメンチンに結合するには、ビメンチンのN末端で Ser/Thr 残基がリン酸化される必要があります。同様に、Akt によってリン酸化された Beclin 1 とビメンチンとの結合は、ビメンチン Ser39 のリン酸化に依存します24。Beclin 1/ビメンチン複合体は、オートファジーの阻害 や Akt を介する形質転換に関与します24

 

リン酸化とビメンチンを介した運動性

ビメンチンのリン酸化は、正常細胞および癌細胞において細胞運動の基となるプロセスも調節します。PKCが介するビメンチンのリン酸化(Ser6 および Ser33)は、インテグリンを含む小胞の輸送に関与します14。インテグリンは、細胞の接着・運動性・正常な局在化に重要な役割を果たしており、ビメンチンがPKCを介してリン酸化されることで、インテグリンの小胞を介した細胞膜への正常な輸送が可能になります14。同様に、ビメンチンがPKCを介してリン酸化されると、細胞の移動性が増加します。また、ビメンチンのリン酸化は、成長因子に対する細胞の応答や、Rho ファミリー GTPase の活性化においても不可欠です。ビメンチン中間径フィラメントは、血清飢餓状態または非運動性の線維芽細胞においては細胞周辺部に存在します。血清にさらすか光活性化した Rac1 GTPase は、ビメンチンのリン酸化、中間径フィラメントの脱重合、中間径フィラメントの細胞周辺部からの後退を誘導します25

また、ビメンチンのリン酸化は、癌細胞の細胞運動性も調節します。Akt が活性化されると、Akt の尾部領域がビメンチンの頭部に結合し、ビメンチンの Ser39 がリン酸化されます。これにより、in vitro では癌細胞の浸潤と運動性の向上、in vivo では腫瘍の増殖および転移が起こります。運動性の向上は、リン酸化により誘導されたビメンチン中間径フィラメントの脱重合によると考えられます。さらに、Akt1 によるビメンチンのリン酸化は、カスパーゼが仲介するタンパク質分解に対して保護的に働きます13

Phosphate Sink

ビメンチンのリン酸化は、ビメンチンのダイナミクスに常に影響を与えるわけではありません。MAPKAP-K2 は、Ser38、Ser50、Ser55、Ser82 をリン酸化しますが8、いずれもビメンチンフィラメントの構造を変化させないことから8、ビメンチンが「phosphate sink」として機能することが示唆されます8,26

 

まとめ

ビメンチン中間径フィラメントは、リン酸化による修飾の他に、少なくとも3種類の翻訳後修飾(ADPリボシル化27、SUMO化28、O-GlcNAc化29,30)を受けます。ビメンチンは、これらの修飾によって空間的および機能的に調節されます。ビメンチン中間径フィラメントの様々な細胞プロセスにおける役割が注目されているにもかかわらず、翻訳後修飾のクロストークなど、その大部分が未解明のまま残されています30

参考文献
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  3. Snider N.T. and Omary M.B. 2014. Post-translational modifications of intermediate filament proteins: mechanisms and functions. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 15, 163-177.
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