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モータータンパク質キネシンと神経変性 CYTOSKELETON NEWS 2016年6月号

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CYTOSKELETON NEWS 2016年6月号 モータータンパク質キネシンと神経変性

モータータンパク質キネシンと神経変性

はじめに

モータータンパク質であるキネシンは、有糸分裂と、神経細胞における高速軸索輸送(FAT)のような順行性のカーゴ(積み荷)の輸送を調節しています。神経細胞は、細胞周期の調節、特に紡錘体の集合と機能を、キネシンに依存しています(紡錘体: 主に微小管(MT)から構成される巨大な構造物。重合と脱重合のサイクルを繰り返して、2個の娘細胞に二倍になった染色体を適切に分配する)。また、キネシンモーターは、微小管を利用して、タンパク質、脂質、ミトコンドリアなどのカーゴ(積み荷)を、合成が行われる細胞体から軸索や軸索末端へ輸送しており、このプロセスは正常な神経細胞の発生、成長、情報伝達に必須となります1

細胞周期の異常(例:染色体分配異常、紡錘体の構造/機能異常、異数性)および 軸索輸送障害は、アルツハイマー病(AD)の病態生理学的特徴であり、認知症でも共通して認められます2,3。実際に、認知症の典型的な神経病理学的特徴(老人班と濃縮体)の前に、軸索輸送障害 および 軸索の膨化が起こることから、複数の研究者が、軸索輸送障害は神経細胞の脆弱性 および 神経変性の初期徴候であると仮定しています4-8。本稿では、Eg5(KSP、kinesin spindle protein、KIF11、キネシン-5)とキネシン-1 が、アルツハイマー病に関連する細胞周期異常 および 軸索輸送障害において担う役割に注目します。Eg5 は、微小管と相互作用するキネシンモーターで、紡錘体の形成と機能に不可欠です。キネシン-1は、原型となるキネシンで、軸索輸送を仲介します。神経変性におけるダイニンモーターの役割については、「CYTOSKELETON NEWS 2014年1月/2月号」をご参照ください。

 

モーターと神経変性: 細胞周期の異常

アルツハイマー病の神経病理学的な特徴は、βアミロイド(Aβ)班と、過剰にリン酸化されたタウの蓄積による神経原線維変化です。Aβは、アミロイド前駆体タンパク質(APP)が、β-セクレターゼ1(BACE1)とプレセニリン(PS)を含むγ-セクレターゼ複合体によって切断されることで形成されます2,3。アルツハイマー病に関連する細胞周期の異常では、Aβとタウの両方が、Eg5 の活性 および 微小管との相互作用を阻害し、紡錘体の構造と機能に負の影響を与えます9-11(図1)。紡錘体の機能不全は、染色体分配異常、異数性/高倍数性、細胞死につながります9-11。タウによる Eg5 の阻害には、過剰量の微小管に結合したタウが必要になります10。異数性/高倍数性を示す神経細胞は、プレクリニカル期(前臨床期)のアルツハイマー病で増加し、アルツハイマー病の進行に伴い、選択的な細胞死が起こります。実際に、アルツハイマー病の剖検脳でみられる細胞死の 90% が、高倍数体の神経細胞で構成されています12

アルツハイマー病における Eg5 の役割は、成熟した有糸分裂後の神経細胞でも発現していることから、細胞周期の異常に限定されません。Eg5 は、少なくとも部分的に、NMDA受容体 および 神経成長因子/p75 ニューロトロフィン受容体の細胞表面への輸送の減少を介して13、Aβによって誘導される長期増強の阻害、および、海馬のスパイン(棘突起)/シナプスの減少を仲介します13,14

キネシンモーター Eg5 の微小管への結合は、紡錘体の適切な構造と機能に必須であり、Aβ および タウによって阻害される。

図1 キネシンモーター Eg5 の微小管への結合は、紡錘体の適切な構造と機能に必須であり、Aβ および タウによって阻害される。

モーターと神経変性: 軸索輸送障害

4つの神経変性疾患関連タンパク質(APP、Aß、PS、タウ)は全て、キネシン-1 が仲介する軸索輸送を阻害します。APP および Aβ による軸索輸送の障害については15-17、アクチン凝集やアクチン重合の動的な変化から16、カゼインキナーゼ2の活性化(キネシン-1軽鎖がリン酸化され、キネシン-1 からカーゴが放出される、連続的なカスケードが開始される17)にわたる、様々なメカニズムが報告されています。興味深いことに、APP は、軸索膜の区画の一部(BACE1 と PS1 も含まれます)として19-21、キネシン-1軽鎖との結合を介して順行性軸索輸送を受けます18。このように、APP は、キネシン-1を介した軸索輸送の間または後に、Aβに切断される可能性があります21。しかし、この知見については、他の研究グループにより誤りを指摘されています22

タウと変異 PS1(M146V)はどちらも、脱リン酸化により刺激される GSK-3ß の活性化を介して、キネシン-1 が仲介する軸索輸送を調節します。その結果、キネシン-1 軽鎖が GSK-3ß を介してリン酸化され、キネシン-1 とカーゴの解離が誘導されます5(図2)。GSK-3ß は、タウキナーゼとして、病理学的な特徴である過剰リン酸化タウの形成を仲介します。過剰リン酸化タウは、微小管から解離して微小管の脱重合を引き起こした後に、タウフィラメントを形成し、最終的には神経原線維変化を生じます2,3。タウのフィラメント、または、C末端が切断された非結合型モノマー(C末端には微小管結合ドメインが含まれる)のN末端は、キネシン依存的な軸索輸送を阻害します。この場合は、プロテインホスファターゼ1(PP1)を介した脱リン酸化によって誘導される GSK-3ß の活性化を介して、GSK-3ß 活性が増加します23(図2)。これらの研究から、複数の研究者たちが、アルツハイマー病の病態生理においては、初期に軸索輸送障害が起こることを示唆しています2-5。実際に、軸索/輸送の障害は、アミロイド沈着のかなり前に起こります4。また、キネシン-1 の枯渇により、同様の輸送障害が生じますが、同時にAβペプチドの量が増加し、蓄積が促進されます4

キネシン-1 を介した順行性の軸索輸送は、GSK-3ß を介したキネシン-1 軽鎖のリン酸化によって阻害され、キネシン-1 とカーゴ(積み荷)の解離を引き起こす

図2 キネシン-1 を介した順行性の軸索輸送は、GSK-3ß を介したキネシン-1 軽鎖のリン酸化によって阻害され、キネシン-1 とカーゴ(積み荷)の解離を引き起こす。GSK-3ß は、PS1や、過剰にリン酸化されたタウフィラメントによって活性化される PP1 によって、活性化される可能性がある。

 

まとめ

正常な神経細胞の生理機能は、適切な有糸分裂や軸索輸送などの様々なプロセスで、キネシンモーターに依存しています。キネシンの機能障害は、ADだけではなく、ハンチントン病24、(上下位)運動ニューロン病、末梢神経疾患であるシャルコー・マリー・トゥース病2,3 でも見られることから、神経細胞の健全性に重大で広範囲に及ぶ影響を与えます。Cytoskeleton社では、モータータンパク質であるキネシンとダイニンが、神経細胞の健全性と生存をどのように制御しているのかを研究するために使用できる、精製したモータータンパク質(キネシン、ダイニン)、微小管に誘導されるモータータンパク質の ATPase 活性を測定できるキットをご提供しております。

参考文献
  1. Bass P.W. 1998. The role of motor proteins in establishing the microtubule arrays of axons and dendrites. J. Chem. Neuroanat. 14, 175-180.
  2. Millecamps S. and Julien J.-P. 2013. Axonal transport deficits and neurodegenerative diseases. Nat. Rev. Neurosci. 14, 161-176.
  3. Morfini G.A. et al. 2009. Minisymposium: Axonal transport defects in neurodegenerative diseases. J. Neurosci. 29, 12776-12786.
  4. Stokin G.B. et al. 2005. Axonopathy and transport deficits early in the pathogenesis of Alzheimer’s disease. Science. 307, 1282-1288.
  5. Pigino G. et al. 2003. Alzheimer’s presenilin 1 mutations impair kinesin-based axonal transport. J. Neurosci. 23, 4499-4508.
  6. Lazarov O. et al. 2007. Impairments in fast axonal transport and motor neuron deficits in transgenic mice expressing familial Alzheimer’s disease-linked mutant presenilin 1. J. Neurosci. 27, 7011-7020.
  7. Ishihara T. et al. 1999. Age-dependent emergence and progression of a tauopathy in transgenic mice overexpressing the shortest human tau isoform. Neuron. 24, 751-762.
  8. Zhang B. et al. 2004. Retarded axonal transport of R406W mutant tau in transgenic mice with a neurodegenerative tauopathy. J. Neurosci. 24, 4657-4667.
  9. Borysov S.I. et al. 2011. Alzheimer Aß disrupts the mitotic spindle and directly inhibits mitotic microtubule motors. Cell Cycle. 10, 1397-1410.
  10. Bouge A.-L. and Parmentier M.-L. 2016. Tau excess impairs mitosis and kinesin-5 function, leading to aneuploidy and cell death. Dis. Model. Mech. 9, 307-319.
  11. Rossi G. et al. 2008. A new function of microtubule-associated protein tau: involvement in chromosome stability. Cell Cycle. 7, 1788-1794.
  12. Arendt T. et al. 2010. Selective cell death of hyperploid neurons in Alzheimer’s disease. Am J. Pathol. 177, 15-20.
  13. Ari C. et al. 2014. Alzheimer Aß inhibition of eg5/kin5 reduces neurotrophin/transmitter receptor function. Neurobiol. Aging. 35, 1839-1849.
  14. Freund R.K. et al. 2016. Inhibition of the motor protein Eg5/Kinesin-5 in amyloid b-mediated impairment of hippocampal long-term potentiation and dendritic spine loss. Mol. Pharmacol. 89, 552-559.
  15. Gunawardena S. and Goldstein L.S.B. 2001. Disruption of axonal transport and neuronal viability by amyloid precursor protein mutations in Drosophila. Neuron. 32, 389-401.
  16. Hiruma H. et al. Glutamate and amyloid b-protein rapidly inhibit fast axonal transport in cultured rat hippocampal neurons by different mechanisms. J. Neurosci. 23, 8967-8977.
  17. Pigino G. et al. 2009. Disruption of fast axonal transport is a pathogenic mechanism for intraneuronal amyloid beta. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 106, 5907-5912.
  18. Koo E.H. et al. 1990. Precursor of amyloid protein in Alzheimer disease undergoes fast anterograde axonal transport. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 87, 1561-1565.
  19. Ferreira A. et al. 1993. Intraneuronal compartments if the amyloid precursor protein. J. Neurosci. 13, 3112-3123.
  20. Kamal A. et al. 2000. Axonal transport of amyloid precursor protein is mediated by direct binding to the kinesin light chain subunit of kinesin-I. Neuron. 28, 449-459.
  21. Kamal A. et al. 2001. Kinesin-mediated axonal transport of a membrane compartment containing ß-secretase and presenilin-1 requires APP. Nature. 414, 643-648.
  22. Lazarov O. et al. 2005. Axonal transport, amyloid precursor protein, kinesin-1, and the processing apparatus: Revisited. J. Neurosci. 25, 2386-2395.
  23. LaPointe N.E. et al. 2009. The amino terminus of tau inhibits kinesin-dependent axonal transport: Implications for filament toxicity. J. Neurosci. Res. 87, 440-451.
  24. Morfini G.A. et al. 2009. Pathogenic Huntingtin inhibits fast axonal transport by activating JNK3 and phosphorylating kinesin. Nat. Neurosci. 12, 864-871.

キネシン・ダイニンタンパク質

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品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
CENP-E Motor domain (Hm.sap.)詳細データ CYT CP01-A 2*25 UG
¥99,000
CENP-E Motor domain (Hm.sap.)詳細データ CYT CP01-XL 1*1 MG
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Chromokinesin Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT CR01-A 2*25 UG
¥99,000
Dynein (Cytoplasmic), Porcine詳細データ CYT CS-DN01 1*50 UG
¥120,000
Eg5 Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT EG01-A 2*25 UG
¥107,000
Eg5 Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT EG01-B 10*25 UG
¥328,000
Eg5 Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT EG01-XL 1*1 MG
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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
KIF7 motor domain, Human詳細データ CYT CS-KF51 1*100 UG
¥107,000
KHC Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT KR01-A 2*25 UG
¥107,000
KHC Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT KR01-XL 1*1 MG
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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
MKLP Motor Domain (Hm.sap.)詳細データ CYT MP01-XL 1*1 MG
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MKLP2 motor domain (human recombinant), Human詳細データ CYT CS-MP05 1*50 UG
¥119,000

キット

品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
ATPase ELIPATM (Enzyme Linked Inorganic Phosphate Assay)詳細データ CYT BK051 1 KIT
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¥102,000
GTPase ELIPATM (Enzyme Linked Inorganic Phosphate Assay)詳細データ CYT BK052 1 KIT
[96 assays]
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CytoPhosTM Phosphate Assay (1-500ug/ml protein reactions)詳細データ CYT BK054 1 KIT
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¥102,000
Kinesin ELIPA詳細データ CYT BK060 1 KIT
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HTS Kinesin ATPase Endpoint Assay詳細データ CYT BK053 1 KIT
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微小管

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品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
Pre-formed Microtubles, Porcine詳細データ CYT MT002-A 4*500 UG
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Pre-formed Microtubles, Porcine詳細データ CYT MT002-XL 1*10 MG
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