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アクチン酸化サイクルの機能 CYTOSKELETON NEWS 2012年5月号

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CYTOSKELETON NEWS 2012年5月号 アクチン酸化サイクルの機能

アクチン酸化サイクルの機能

in vivoにおけるアクチン細胞骨格の機能と編成が高度に動的なため、細胞内外のシグナルに速やかに応答することができます。アクチンの再編成は走化性、細胞の増殖や分裂、軸索伸長、貪食といった細胞の生理的なプロセスのほとんどで必須です。これら事象を複雑化するため、多様なアクチン制御因子が要求されます。よく知られた制御因子として、脂質キナーゼ/ホスファターゼ、小分子Gタンパク質であるRacやRhoファミリーといった転写因子と同様に、プロフィリン、ゲルソリン、コフィリンのようなアクチン結合タンパク質が挙げられます(1)。最近、主に過酸化水素(H2O2)が関与するアクチンの酸化サイクルが強力な制御機構であることが明らかになりました。H2O2のような活性酸素種は、NADPH酸化酵素やリポキシゲナーゼを活性化する多様な細胞外シグナルイベントにより産生されます。in vivoで、アクチンは酸化還元に感受性のある2か所の主要なシステイン残基、β-アクチンではCys272とCys374を反応中心として、還元型(actR)と酸化型(actO)の間を平衡します(2, 3、図1)。Cys272はH2O2存在下でスルフェン酸(Cys-SOH)、スルフィン酸(Cys-SO2H)、またはスルホン酸(Cys-SO3H)に酸化されます。Cys374は同様に酸化されるか、ジスルフィド結合を形成してアクチン二量体となります(4)。これら改変はチオレドキシン/チオレドキシン還元酵素/NADPH(TRX)やグルタチオン/グルタチオン還元酵素/NADPH(GLT)が関与する還元性の細胞経路により還元されるため、可逆的です。
興味深いことに、これら2つの酸化型システインが酸化型アクチンに重要な生理作用を与えています。例えば、actOはプロフィリンとの親和性が約10倍低下し(Cys374の酸化)、in vitroでのactO形成は還元剤の添加により可逆性を示す既成フィラメントの脱重合を引き起こします(3)。仮説上、これら2つのactOの特性により、局所的な酸化環境にて短く動的なフィラメントの形成が促進されます。加えて、in vitroでのH2O2によるCys374の酸化はアクチン二量体の形成を促進し、凝集中心を作成して分枝フィラメントを形成するためフィラメントに取り込まれます(4)。Arp2/3タンパク質はこれら構造の安定化と娘フィラメントの形成に関与すると考えられます(3)。最後に、Cys272の酸化によるスルフェン酸の形成はアポトーシスによる細胞死を決定づける酸化還元のセンサーとなっています(5)。

 

in vivoでのactOの潜在的な機能

図1 in vivoでのactOの潜在的な機能
ダイマーと短いフィラメントの形成能を有するactOと、in vivoにおけるアクチンの酸化型と還元型との循環。actOは酸化状態の場合にアポトーシスを誘導する、細胞内酸化還元電位のセンサーでもある。TRX、チオレドキシン/チオレドキシン還元酵素/NADPH; GLT、グルタチオン/グルタチオン還元酵素/NADPH

 

アクチン酸化サイクルにおいて、他に興味深い側面としては、低分子Gタンパク質であるRacがアクチン制御において、よく研究されたRac/エフェクター関連の成長円錐動態のコントロールに加え、他の役割も有する可能性が挙げられます(6)。RacはH2O2濃度を増幅するシグナルカスケードに関与します(7, 8)。H2O2による脂質やタンパク質チロシンのキナーゼホスファターゼ(例、PTEN)のダウンレギュレーションは、PIP2とPIP3の量を増加させます(9)。これらホスホイノシチドがRacを活性化するグアニン交換因子を標的とし、NADPH酸化酵素を活性化するので(12, 13)、その結果としてH2O2の産生が増加します(9)。そして時間と空間に関連して細胞表面で増幅されたH2O2のプールによりアクチンが酸化され、細胞表面のアクチン動態が制御されます。このトレッドミル用の反応によりアクチンが細胞内腔へ移行した後、actOはTRXやGLT還元系によりactRへと変換されます。
重要なことに、ヒトの疾患におけるactOの機能に関する2つの興味深いモデルが登場したため、アクチン酸化の研究は臨床的な意味があります。in vitroの炎症性腸疾患モデルにおいて、actOは大腸癌由来Caco-2細胞の腸管障壁の完全性を損傷するにあたり重要な役割を果たします(14)。また、虚血時、actOは心臓細胞のアポトーシスと細胞死に寄与します(15)。

参考文献
1. Sundaresan M, Yu ZX, Ferrans VJ, Irani K, and Finkel T. 1995. Requirement for generation of H2O2 for platelet-derived growth factor signal transduction. Science. 270, 296-299. 2. Fiaschi T, Cozzi G, Raugei G, Formigli L, Ramponi G, and Chiarugi P. 2006. Redox regulation of beta-actin during integrin-mediated cell adhesion. J. Biol. Chem. 281, 22983-22991. 3. Lassing I, Schmitzberger F, Bjornstedt M, Holmgren A, Nordlund P, Schutt CE, and Lindberg U. 2007. Molecular and structural basis for redox regulation of β-actin. J. Mol. Biol. 370, 331-348. 4. Tang JX, Janmey PA, Stossel TP, and Ito T. 1999. Thiol oxidation of actin produces dimers that enhance the elasticity of the F-actin network. Biophys. J. 76, 2208-2215. 5. Farah ME and Amberg DC. 2007. Conserved actin cysteine residues are oxidative stress sensors that can regulate cell death in yeast. Mol. Biol. Cell. 18, 1359-1365. 6. Hall A. 1998. Rho GTPases and the actin cytoskeleton. Science. 279, 509-514. 7. Moldovan L, Irani K, Moldovan NI, Finkel T, and Goldschmidt-Clermont PJ. 1999. The actin cytoskeleton reorganization induced by Rac1 requires the production of superoxide. Antioxid. Redox Signal. 1, 29-43. 8. Rhee SG, Bae YS, Lee SR, and Kwon J. 2000. Hydrogen peroxide: a key messenger that modulates protein phosphorylation through cysteine oxidation. Sci. STKE. 2000, PE1. 9. Rhee SG, Kang SW, Jeong W, Chang TS, Yang KS, and Woo HA. 2005. Intracellular messenger function of hydrogen peroxide and its regulation by peroxiredoxins. Curr. Opin. Cell Biol. 17, 183-189. 10. Hawkins PT, Eguinoa A, Qiu R-G, Stokoe D, Cooke FT, Walters R, Wennstrom S, Claesson-Welsh L, Evans T, Symons M, and Stephens L. 1995. PDGF stimulates an increase in GTP-Rac via activation of phosphoinositide 3-kinase. Curr. Biol. 5, 393-403. 11. Han J, Luby-Phelps K, Das B, Shu X, Xia Y, Mosteller RD, Krishna UM, Falck JR, White MA, and Broek D. 1998. Role of substrates and products of PI3-kinase in regulating activation of Rac-related guanosine triphosphatases by Vav. Science. 279, 558-560. 12. Abo A, Pick E, Hall A, Totty N, Teahan CG, and Segal AW. 1991. Activation of the NADPH oxidase involves the small GTP-binding protein p21rac1. Nature. 353, 668-670. 13. Moldovan L, Mythreye K, Goldschmidt-Clermont PJ, and Satterwhite LL. 2006. Reactive oxygen species in vascular endothelial cell motility. Roles of NAD(P)H oxidase and Rac1. Cardiovasc. Res. 71, 236-246. 14. Banan A, Zhang Y, Losurdo J, and Keshavarzian A. 2012. Carbonylation and disassembly of the F-actin cytoskeleton in oxidant induced barrier dysfunction and its prevention by epidermal growth factor and transforming growth factor a in a human colonic cell line. Gut. 46, 830-837. 15. Canton M, Neverova I, Menabo R, Van Eyk J, and Di Lisa F. 2004. Evidence of myofibrillar protein oxidation induced by postischemic reperfusion in isolated rat hearts. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 286, H870-H877.

アクチンBiochemキット™

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Rho/Rac/Cdc42 Activator I詳細データ CYT CN04-A 3*20 UG
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アクチン結合タンパク質

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
α-actinin (skeletal muscle), Rabbit, Unlabeled詳細データ CYT AT01-A 2*50 UG
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Gelsolin (Plasma), Human詳細データ CYT HPG6-A 4*20 UG
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Myosin Cardiac Muscle詳細データ CYT MY03-A 5*1 MG
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Myosin Cardiac Muscle詳細データ CYT MY03-B 20*1 MG
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Myosin: Heavy Meromyosin, Rabbit, Unlabeled詳細データ CYT MH01-A 4*50 UG
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Myosin Skeletal Muscle, Rabbit, Unlabeled詳細データ CYT MY02-B 20*1 MG
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抗体

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
Anti Actin w/positive control, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ CYT AAN01-A 1*100 UG
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Anti Actin w/positive control, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ CYT AAN01-B 3*100 UG
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Anti Profilin w/positive control, Human (Rabbit) Unlabeled詳細データ CYT APUF01-A 1*50 UG
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