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

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メーカー名：Cytoskeleton, Inc.

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）。

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 I^1,24、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。

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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	CYT	AKL99-A	4*250 UG	￥61,000
Actin protein (rabbit skeletal muscle, >99% pure), Rabbit, Unlabeled	CYT	AKL99-B	2*1 MG	￥74,000
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Actin Protein (platelet non-muscle, >99% pure), Human, Unlabeled	CYT	APHL99-C	1*1 MG	￥113,000
Pre-formed actin filaments (rabbit skeletal muscle), Rabbit	CYT	AKF99-A	1*1 MG	￥59,000
Pre-formed actin filaments (rabbit skeletal muscle), Rabbit	CYT	AKF99-B	5*1 MG	￥207,000
Actin Protein (pyrene, skeletal muscle), Rabbit	CYT	AP05-A	1*1 MG	￥65,000
Actin Protein (pyrene, skeletal muscle), Rabbit	CYT	AP05-B	5*1 MG	￥291,000
Actin Protein (biotin, skeletal muscle), Rabbit, Biotin	CYT	AB07-A	5*20 UG	￥102,000
Actin Protein (biotin, skeletal muscle), Rabbit, Biotin	CYT	AB07-C	20*20 UG	￥284,000

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	CYT	BK037	1 KIT [30-100 assays]	￥227,000
Actin Binding Protein Spin-Down Biochem Kit (Non-muscle)	CYT	BK013	1 KIT [30-100 assays]	￥237,000
Actin Polymerization Biochem Kit, Rabbit	CYT	BK003	1 KIT [30-100 assays]	￥266,000