商品情報

記事ID : 11449
研究用

アクチン修飾と細胞骨格 CYTOSKELETON NEWS 2013年6月号

このエントリーをはてなブックマークに追加

CYTOSKELETON NEWS 2013年6月号 アクチン修飾と細胞骨格

アクチン修飾と細胞骨格

アクチンは、高度に発現・偏在する細胞骨格タンパク質で、少なくとも17種類の翻訳後修飾(PTM;post-translational modifications)を受ける基質でもあります1。PTMは、タンパク質中のアミノ酸残基に化学基もしくは別のタンパク質が付加することにより、そのタンパク質の機能的な特性を変化させる、非常にダイナミックなプロセスで、多くの場合可逆的です。細胞の成長、運動性、輸送、分裂における役割と合わせて、アクチンの機能がPTMによってどのように変化するかを理解することは、必要不可欠です。本稿では、アクチンのPTMのうち重要な3種類(アルギニン化、グルタチオン化、リン酸化)について知られていることをまとめました(図1)。

翻訳後修飾(PTM)がアクチン活性に与える影響
図1 翻訳後修飾(PTM)がアクチン活性に与える影響
アルギニン化は重合を促進し、グルタチオン化はそれを減少させる。リン酸化は修飾した残基に依存して重合の増加も減少もさせることができる。リン酸化はアクチンの結合にも影響する。

 

アルギニン化
アルギニン化は、アルギニン転移酵素(Ate1)により媒介され、βアクチンのN末端にペプチド結合によりアルギニンが付加されることで起こります2,3。アルギニン化は、いくつかの方法でアクチンの機能に影響を与えます。例えば、アルギニン化によりアクチンの重合が増加し3,4、樹状突起の形態とサイズを維持するための重要な構造であるアクチンフィラメントネットワーク5を強化します3。アルギニン化の妨害/欠損は、細胞の移動や筋線維収縮の障害4,6-8、先端ラメラの崩壊、F-アクチンレベルの減少3に関係しています。先端の崩壊は、特にβアクチンのN末端でアルギニン化が減少することに起因します4。N末端のほかにも、アクチン分子の内部で、少なくとも2つの残基でアルギニン化が起こります1。内部のアルギニン化は、アクチンとアクチンが結合するタンパク質との相互作用や重合に影響を与えると予測されています1。Ate1ノックアウトマウスの線維芽細胞培養を用いたEx vivoでの研究でも、アクチンの機能におけるアルギニン化の役割が支持されました。細胞は、重合速度が遅くなり(早い核形成/遅い伸張)、Fアクチンの染色が減少し、アクチンフィラメントが短くなり、細胞内アクチン凝集数が増加しました(図1)。In vivoでは、Ate1ノックアウトマウスは心血管発生9、神経提の形態形成7に障害がありました。

グルタチオン化
グルタチオン化は、多数の還元酸化反応(redox;reduction-oxidation)PTMのうちの1つで、アクチン中の2つのシステインアミノ酸残基(Cys217、Cys374)をターゲットとします1。グルタチオン化は、可逆的なPTMで、ジスルフィド結合によりアクチンのシステイン残基に結合し、グルタチオンジスルフィドを形成します。アクチンのグルタチオン化は、アクチン及び細胞を酸化ストレスから保護します10-12。例えば、アクチンのグルタチオン化は、酸化ストレス時の軸索・樹状突起の安定化及びニューロンの生存に関与していると考えられています11。さらに、アクチンのグルタチオン化は、アクチンの重合、輸送、Fアクチンの再編成を介して成長因子に応答するアクチンネットワークに影響しています13。酸化ストレスの間、アクチン重合を減少させるグルタチオン化が増加し、Fアクチンレベルを低下させます1,13(図1)。Fアクチンの形成を阻害するほか、グルタチオン化の増加はアクチンフィラメントの異常な再編成につながります12,24。グルタチオン化を逆行させると、アクチン重合は増加します13

リン酸化
アクチンには、リン酸化によって修飾されるアミノ酸残基が少なくとも35個あります。このPTMは、重合に対して正と負の両方の効果を及ぼすことができます1。例えば、粘菌Dictyostelium属では、アクチンのTyr53残基がリン酸化されると、アクチンのサブユニット間の接触が妨害され、重合が減少します15,16。逆に、粘菌Physarum属では、カルシウム依存酵素のアクチンフラグミンキナーゼ(AFK)がアクチンのThr201-203残基をリン酸化し、これによってアクチンフィラメントが伸長します17-20。この伸長は、フラグミンとアクチン間の相互作用の減少の結果によると考えられています。フラグミンは、アクチンフィラメントを切断するタンパク質であるゲルソリンと関係しており、フィラメントの長さを調節しています17-20。Thrのリン酸化の効果は、プロテインホスファターゼ(PP1及びPP2A)によって逆行されます21。どちらの生物においても、アクチンのリン酸化状態の変化は、細胞外事象(例:移動、食作用、シグナル伝達)や休止状態への移行に対する細胞骨格応答に関連しています1,15-18

 

哺乳類では、プロテオミクス解析により、多数のキナーゼがアクチンをリン酸化し、細胞種、病状、外刺激によって変化していることが明らかになりました。残念ながら、多くの研究は相関的で、所定のキナーゼとアクチンリン酸化との直接的な関係を報告していません1。例えば、アクチンのSer残基とTyr残基は、インスリンに応答し、未知のキナーゼを介してリン酸化され、DNase I 結合を減少させます1(図1)。また、p21活性化キナーゼPAK1は、アクチンをリン酸化することで、ストレスファイバーの欠損やFアクチンの局在化の変化に関係しています22。同様に、Srcキナーゼによるアクチンリン酸化は、アクチンの重合を阻害します1,23。アクチンキナーゼとして既知のものに、カゼインキナーゼ I1,24、cAMP依存プロテインキナーゼ(PKA)、カルシウム/ホスホイノシチド依存プロテインキナーゼ(PKC)があります25,26。カゼインキナーゼ Iは、AFKと同様にアクチンをリン酸化します(ThrとSer残基をターゲットとし、カルシウム依存的)。PKAとPKCは、正反対の機能を持ち、前者は重合を阻害し、後者が重合を促進します27,28(図1)。

アクチンは、主要な細胞骨格タンパク質で、様々なPTMによってその機能が調節されています。細胞生物学の全ての面においてアクチンが関連しているにも関わらず、少なくとも17種類の異なるPTMがどのようにアクチンの重合、安定性、結合に影響を与えるかについての理解は完全ではありません。新しいPTMツールが開発されることにより、アクチンだけでなく、他の多くの細胞骨格タンパク質のPTMについての理解が大きく進むことを期待しています。

参考文献

1. J.R. Terman and A. Kashina, 2013. Post-translational modification and regulation of actin. Curr. Opin. Cell Biol. 25, 1-9.

2. E. Balzi et al., 1990. Cloning and functional analysis of the arginyl-tRNA-protein transferase gene ATE1 of Saccharomyces cerevisiae. J. Biol. Chem. 265, 7464-7471.

3. S. Saha et al., 2010. Arginylation regulates intracellular actin polymer level by modulating actin properties and binding of capping and severing proteins. Mol. Biol. Cell. 21, 1350-1361.

4. M. Karakozova et al., 2006. Arginylation of beta-actin regulates actin cytoskeleton and cell motility. Science. 313, 192-196.

5. P. Hotulainen et al., 2009. Defining mechanisms of actin polymerization and depolymerization during dendritic spine morphogenesis. J. Cell Biol. 185, 323-339.

6. R. Rai et al., 2008. Arginyltransferase regulates alpha cardiac actin function, myofibril formation and contractility during heart development. Development. 135, 3881-3889.

7. S. Kurosaka et al., 2010. Arginylation-dependent neural crest cell migration is essential for mouse development. PLoS Genet. 6, e10000878.

8. S. Kurosaka et al., 2012. Arginylation regulates myofibrils to maintain heart function and prevent dilated cardiomyopathy. J. Mol. Cell Cardiol. 53, 333-341.

9. Y.T. Kwon et al., 2002. An essential role of N-terminal arginylation in cardiovascular development. Science. 297, 96-99.

10. I. Dalle-Donne et al., 2005. S-glutathionylation in human platelets by a thiol-disulfide exchange-independent mechanism. Free Radic. Biol. Med. 38, 1501-1510.

11. M. Sparaco et al., 2006. Protein glutathionylation in human central nervous system: potential role in redox regulation of neuronal defense against free radicals. J. Neurosci. Res. 83, 256-263.

12. E.A. Sabens Liedhegner et al., 2012. Mechanisms of altered redox regulation in neurodegenerative diseases—Focus on S-glutathionylation. Antioxid. Redox Signal. 16, 543-566.

13. J. Wang et al., 2003. Stable and controllable RNA interference: Investigating the physiological function of glutathionylated actin. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 100, 5103-5106.

14. A. Pastore et al., 2003. Actin glutathionylation increases in fibroblasts of patients with Friedreich’s ataxia. J. Biol. Chem. 278, 2588–42595.

15. X. Liu et al., 2006. Phosphorylation of actin Tyr-53 inhibits filament nucleation and elongation and destabilizes filaments. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103, 13694-13699.

16. K. Baek et al., 2008. Modulation of actin structure and function by phosphorylation of Tyr-53 and profilin binding. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105, 11748-11753.

17. B. Constantin et al., 1998. Disruption of the actin cytoskeleton of mammalian cells by the capping complex actin-fragmin is inhibited by actin phosphorylation and regulated by Ca2+ ions. J. Cell Sci. 111, 1695-1706.

18. K. Furuhasi and S. Hatano, 1990. Control of actin filament length by phosphorylation of fragmin-actin complex. J. Cell Biol. 111, 1081-1087.

19. K. Furuhasi and S. Hatano, 1992. Identification of actin kinase activity in purified fragminactin complex. FEBS Lett. 310, 34-36.

20. S. Steinbacher et al., 1999. The crystal structure of the Physarum polycephalum actinfragmin kinase: an atypical protein kinase with a specialized substrate-binding domain. EMBO J. 18, 2923-2929.

21. E. Waelkens et al., 1995. Microfilament dynamics: regulation of actin polymerization by actin-fragmin kinase and phosphatases. Adv. Enzyme Regul. 35, 199-227.

22. E.A. Papakonstanti and C. Stournaras, 2002. Association of PI-3 kinase with PAK1 leads to actin phosphorylation and cytoskeletal reorganization. Mol. Biol. Cell. 13, 2946-2962.

23. C.A. Hirshman et al., 2005. Isoproterenol induces actin depolymerization in human airway smooth muscle cells via activation of an Src kinase and Gs. Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. 288, L924-L931.
24. T. Shibayama et al., 1986. Phosphorylation of muscle and non-muscle actins by casein kinase 1 in vitro. Biochem. Int. 13, 367-373.

25. J.M. Carrascosa and O.H. Wieland, 1986. Evidence that (a) serine specific protein kinase(s) different from protein kinase C is responsible for the insulin-stimulated actin phosphorylation by placental membrane. FEBS Lett. 201, 81-86.

26. M.P. Walsh et al., 1981. Phosphorylation of smooth muscle actin by the catalytic subunit of the cAMP-dependent protein kinase. Biochem. Biophys. Res. Comm. 102, 149-157

27. A.G. Prat et al., 1993. Activation of epithelial Na+ channels by protein kinase A requires actin filaments. Am. J. Physiol. 265, C224-C233.

28. Y. Ohta et al., 1987. Protein kinase C and cAMP-dependent protein kinase induce opposite effects on actin polymerizability. FEBS Lett. 222, 305-310.

アクチン関連研究ツール タンパク質

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
Actin protein (rabbit skeletal muscle, >99% pure), Rabbit, Unlabeled詳細データ CYT AKL99-A 4*250 UG
¥58,000
Actin protein (rabbit skeletal muscle, >99% pure), Rabbit, Unlabeled詳細データ CYT AKL99-B 2*1 MG
¥70,000
Actin Protein (platelet non-muscle, >99% pure), Human, Unlabeled詳細データ CYT APHL99-A 2*250 UG
¥64,000
Actin Protein (platelet non-muscle, >99% pure), Human, Unlabeled詳細データ CYT APHL99-C 1*1 MG
¥106,000
Pre-formed actin filaments (rabbit skeletal muscle), Rabbit詳細データ CYT AKF99-A 1*1 MG
¥55,000
Pre-formed actin filaments (rabbit skeletal muscle), Rabbit詳細データ CYT AKF99-B 5*1 MG
¥196,000
Actin Protein (pyrene, skeletal muscle), Rabbit詳細データ CYT AP05-A 1*1 MG
¥60,000
Actin Protein (pyrene, skeletal muscle), Rabbit詳細データ CYT AP05-B 5*1 MG
¥257,000
Actin Protein (biotin, skeletal muscle), Rabbit, Biotin詳細データ CYT AB07-A 5*20 UG
¥90,000
Actin Protein (biotin, skeletal muscle), Rabbit, Biotin詳細データ CYT AB07-C 20*20 UG
¥250,000

アクチン関連研究ツール キット

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
G-Actin : F-Actin In Vivo Assay Kit, Mouse詳細データ CYT BK037 1 KIT
[30-100 assays]
¥211,000
Actin Binding Protein Spin-Down Biochem Kit (Non-muscle)詳細データ CYT BK013 1 KIT
[30-100 assays]
¥224,000
Actin Polymerization Biochem Kit, Rabbit詳細データ CYT BK003 1 KIT
[30-100 assays]
¥251,000

■ CYTOSKELETON NEWS バックナンバー

2018年
2017年
2016年
2015年
2014年
2013年
2012年

商品は「研究用試薬」です。人や動物の医療用・臨床診断用・食品用としては使用しないように、十分ご注意ください。

お問い合わせ

「CYTOSKELETON NEWS 2013年6月号」は、下記のカテゴリーに属しています。

メーカー・代理店一覧

サポート情報

SNSアカウント

© COSMO BIO