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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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メーカー名：Cytoskeleton, Inc.

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。

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。

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

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キネシン・ダイニンタンパク質

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