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ダイニン: 一つのモーターが関わる複数の神経変性疾患 CYTOSKELETON NEWS 2014年1月/2月号

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CYTOSKELETON NEWS 2014年1月/2月号 ダイニン: 一つのモーターが関わる複数の神経変性疾患

ダイニン: 一つのモーターが関わる複数の神経変性疾患

細胞質ダイニン1(以下、ダイニン)は、1.6MDaのタンパク質複合体です。真核細胞では、微小管上を運動するモーターたんぱく質であり、ATPを加水分解して運動します(図1A)。さらにダイニンは、ミトコンドリアの移動、エンドソーム/リソソーム輸送、ミスフォールドタンパク質の分解誘導輸送、核のポジショニング、有糸分裂などの様々な細胞プロセスにとって不可欠です1-3(図2)。

ダイニン複合体は、〜530 kDaの2つの重鎖が、複数の中間鎖、中間軽鎖及び軽鎖と共に、ホモ二量体化した構造をとっています(図1A)。ホモ二量体を形成する重鎖の頭部は、微小管に沿って移動する際にエネルギーを提供する、ATPアーゼ活性を持っています。ダイニン複合体が輸送物質と結合したり、効率的な輸送を行うためには、偏在するダイニン結合タンパク質であるダイナクチン1-3(図1B)や、特定のアダプタータンパク質であるプレセニリン、LIS1、NUDEL、MuMA、Miro、Milton、BimL、BimELなどが必要です1-3

軸索輸送の欠損やニューロン変性、運動異常、またはその他の神経欠損として現れるヒトの神経変性疾患には、ダイニン(またはダイナクチン)における変異が関係しているものがあります4-8(図1A、1B)。さらに、ダイニン機能障害や変異を持つ動物モデルは、ヒト患者と同様に、運動と神経の障害を示します3, 9-11(図1A)。このような症状で観察される、ニューロン欠損やタンパク質凝集、軸索輸送の欠損は、いずれも神経変性の病態生理学的な特徴です。ダイニンと様々な神経変性疾患との関連性について、さらなる研究が行われることが期待されています(図2)。

 

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図1 細胞質ダイニン重鎖(A)とダイナクチンp150Glued (B)のドメイン構造
(A)ダイニンのドメイン構造。マウス/ヒト変異の位置、buttress(水色)、ストーク/微小管結合ドメイン (MTBD)(緑)、6 AAA ATPアーゼドメイン(青)、intra-dynein complex binding domains(ターコイズ)を含む。ヒト変異は、似た表現型を示すグループごとに色分けした(運動障害のみ[黄色]。他はすべて運動障害と脳の奇形があり[緑/青/赤] 、知能障害[緑、オレンジ、青、赤]、てんかん[緑]も見られる)。
(B)ダイナクチンp150Gluedの ドメイン構造。コイルドコイル(CC)、ダイニン/微小管(MT)結合ドメイン、ヒト変異の位置(すべて微小管結合ドメインにある)を含む。
参考文献3(A)、20(B)より修正改変した。スケールはアミノ酸番号を示す。

神経変性疾患

ダイニンについては、これまでも大脳基底核の神経変性疾患であるアルツハイマー病(AD)のような認知症、運動ニューロンの疾患である筋萎縮性側索硬化症(ALS)、脊髄性筋萎縮症(SMA)、球脊髄性筋萎縮症 (SBMA)といった疾患との関連性について、数々の研究がなされてきました2

これまでに、ダイニンの機能に影響を与える少なくとも3つのダイニン変異 (Legs at odd angles [Loa]、Cramping1Sprawling) が同定されています。これらのダイニン変異発現マウスは、運動と感覚ニューロンの両方、もしくはいずれかの欠損と、障害性の運動行動を示します3 ,10, 12-14(図1A)。これらの変異のうち、Loa変異(ダイニン重鎖の F580Y ポイントミューテーション)は、ダイニンとダイナクチンとの親和性だけでなく、発現や集合、ダイニン複合体を構成するタンパク質サブユニットの相互作用も変化させます15Loa変異は、筋萎縮性側索硬化症(ALS)に関与しています。既報の文献によると、Cu/Zn superoxide dismutase enzyme(SOD1)を過剰発現させたALSモデルマウスは、Loa+ マウスと交配すると、運動ニューロンの死が遅くなり、寿命が延長しました16。さらに、Loa変異は、SOD1変異マウスに見られる軸索輸送の機能障害をレスキューしました3Loaが介在してALSの表現型を改善するメカニズムについては、まだよくわかっていませんが、細胞ストレス関連タンパク質の逆行性輸送の減少、キネシン1の発現の変化、ミトコンドリアの活動と形態の変化、あるいはタウ発現の変化といった、複数の仮説が検討されています3。Cramping1は、運動行動や脂肪の代謝/貯蔵に異常が見られる、ダイニン重鎖のポイントミューテーション(Y1055C)です。Loaと同様に、in vivoモデルマウスを使った実験から、ハンチントン病との関連が考えられています13。さらに、このダイニン変異は、in vivoでは線条体の委縮を引き起こし、in vitroでは神経突起の形態を変化させます13

 

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図2 ニューロンの軸索と細胞体におけるダイニンの機能(参考文献2より改修)

エンドサイトーシスの機能障害は、早期ADの病態を示すマーカーの一つであることが報告されており17,18、そのエンドサイトーシスの病態における役割により、ダイニンはアルツハイマー病(AD)にも関与していると考えられています。培養細胞において、RNA干渉によってダイニンの機能障害を誘導すると、老齢サル脳でみられるような、エンドサイトーシスの病態を示します。また、ダイニンをノックダウンすると、老人班の主要成分であるアミロイドβタンパク質を含む、アミロイド前駆体タンパク質とその切断生成物の蓄積が起こります19。このように、ダイニンが介在して起きるエンドサイトーシスでの変化が、早期ADの病態に重要な役割を果たしていることが示唆されています。

 

結論

様々な研究結果から、神経変性疾患の中には、その病態にダイニンの機能障害が強く関係するものがあると考えられます。しかし、ほとんどの研究が間接的な(すなわち相関的な)ものであることを考慮すると、その正確な役割は未解明であるといえます。したがって、正常と疾患の状態で、この逆行性のモーターが中枢神経において担う役割を解明するためには、ダイニンと関連するタンパク質複合体の役割について、さらなる研究が必要です。Cytoskeleton社は、カスタム精製した細胞質ダイニンをご提供し、またダイニン機能のインヒビターとエンハンサーの識別が可能なダイニンATPアーゼアッセイを開発しています。

参考文献

1. Allan V.J. 2011. Cytoplasmic dynein. Biochem. Soc. Trans. 39, 1169-1178.
2. Eschbach J. & Dupuis L. 2011. Cytoplasmic dynein in neurodegeneration. Pharmacol. Ther. 130, 348-363.
3. Schiavo G. et al. 2013. Cytoplasmic dynein heavy chain: the servant of many masters. Trends Neurosci. 36, 641-651.
4. Puls I. et al. 2003. Mutant dynactin in motor neuron disease. Nat. Genet. 33, 455-456.
5. Farrer M.J., et al. 2009. DCTN1 mutations in Perry syndrome. Nat. Genet. 41, 163-165.
6. Weedon M.N. et al. 2011. Exome sequencing identifies a DYNC1H1 mutation in a large pedigree with dominant axonal Charcot-Marie-Tooth disease. Am. J. Hum. Genet. 89, 308-312.
7. Harms M.B. et al. 2012. Mutations in the tail domain of DYNC1H1 cause dominant spinal muscular atrophy. Neurology. 78, 1714-1720.
8. Willemsen M.H. et al. 2012. Mutations in DYNC1H1 cause severe intellectual disability with neuronal migration defects. J. Med. Genet. 49, 179-183.
9. LaMonte B.H. et al. 2002. Disruption of dynein/dynactin inhibits axonal transport in motor neurons causing late-onset progressive degeneration. Neuron. 34, 715-727.
10. Hafezparast M. et al. 2003. Mutations in dynein link motor neuron degeneration to defects in retrograde transport. Science. 300, 808-812.
11. Kimura N. et al. 2012. Dynein dysfunction disrupts intracellular vesicle trafficking bidirectionally and perturbs synaptic vesicle docking via endocytic disturbances. Am. J. Pathol. 180, 550-561.
12. Chen X-J. et al. 2007. Proprioceptive sensory neuropathy in mice with a mutation in the cytoplasmic dynein heavy chain 1 gene. J. Neurosci. 27, 14515-14524.
13. Braunstein K.E. et al. 2010. A point mutation in the dynein heavy chain gene leads to striatal atrophy and compromises neurite outgrowth of striatal neurons. Hum. Mol. Genet. 19, 4385-4398.
14. Ori-McKenney K.M. et al. 2010. A cytoplasmic dynein tail mutation impairs motor processivity. Nat. Cell Biol. 12, 1228-1234.
15. Deng W. et al. 2010. Neurodegenerative mutation in cytoplasmic dynein alters its organization and dynein-dynactin and dynein-kinesin interactions. J. Biol. Chem. 285, 39922-39934.
16. Kieran D. et al. 2005. A mutation in dynein rescues axonal transport defects and extends the life span of ALS mice. J. Cell Biol. 169, 561-567.
17. Cataldo A.M. et al. 2004. Abeta localization in abnormal endosomes: association with earliest Abeta elevations in AD and Down syndrome. Neurobiol. Aging. 25, 1263-1272.
18. Nixon R.A. 2005. Endosome function and dysfunction in Alzheimer's disease and other neurodegenerative diseases. Neurobiol. Aging. 26, 373-382.
19. Kimura N. et al. 2009. Dynein dysfunction induces endocytic pathology accompanied by an increase in Rab GTPases. J. Biol. Chem. 284, 31291-31302.
20. Vallee R.B. et al. 2012. Multiple modes of cytoplasmic dynein regulation. Nat. Cell Biol. 14, 224-230.

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
Dynein (Cytoplasmic), Porcine詳細データ CYT CS-DN01 1*50 UG
¥120,000
MKLP2 motor domain (human recombinant), Human詳細データ CYT CS-MP05 1*50 UG
¥119,000
KIF7 motor domain, Human詳細データ CYT CS-KF51 1*100 UG
¥107,000
Cardiac Myosin S1, Bovine詳細データ CYT CS-MYS03 1*250 UG
¥92,000
Skeletal Muscle Myosin S1, Rabbit詳細データ CYT CS-MYS04 1*250 UG
¥92,000
Myosin S1 Fragment (smooth), Chicken詳細データ CYT CS-MYS05 1*250 UG
¥92,000
Lyophilized Thin Filaments, Bovine詳細データ CYT CS-TFC01 1 MG
[1 x 1 mg]
販売終了
Tropomyosin/Troponin Complex, Bovine詳細データ CYT CS-TT05 1 MG
[1 x 1 mg]
¥87,000
CENP-E Motor domain (Hm.sap.)詳細データ CYT CP01-A 2*25 UG
¥99,000
Chromokinesin Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT CR01-A 2*25 UG
¥99,000
Eg5 Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT EG01-A 2*25 UG
¥107,000
BimC Motor Domain詳細データ CYT BM01-A 2*25 UG
¥107,000
Eg5 Homolog BimC Motor Domain Protein詳細データ CYT EG02-A 2*15 UG
¥107,000
KIFC3 Motor Domain (Hm.sap)詳細データ CYT KC01-A 2*25 UG
¥107,000
KIF3C Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT KF01-A 2*25 UG
¥107,000
KHC Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT KR01-A 2*25 UG
¥107,000
MCAK Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT MK01-A 2*25 UG
¥107,000
MKLP Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT MP01-A 2*25 UG
¥107,000
Kinesin ELIPA詳細データ CYT BK060 1 KIT
[96 assays]
¥228,000
HTS Kinesin ATPase Endpoint Assay詳細データ CYT BK053 1 KIT
[1000 assays]
¥236,000
Pre-formed Microtubles, Porcine詳細データ CYT MT002-XL 1*10 MG
¥380,000
Pre-formed Microtubles, Porcine詳細データ CYT MT002-A 4*500 UG
¥120,000
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

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