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プロフィリン: アクチン結合タンパク質の多機能な役割 CYTOSKELETON NEWS 2017年12月号

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メーカー名：Cytoskeleton, Inc.

プロフィリン: アクチン結合タンパク質の多機能な役割

タンパク質のプロフィリン (Pfn) ファミリーは、元来アクチン重合の調節因子と考えられ研究されてきました。1976年^1,2に最初に同定されたこの小タンパク質 (14～17 kDa) は、ヒトでは4種のアイソフォームが存在します (Pfn1～4) ³。Pfn1はほとんどの細胞種で発現し、Pfn2は主に脳に局在し、Pfn3とPfn4は精巣に局在します⁴。Pfn発現は、マウスでは胚発生に必須です^5,6。しかしながら、40年経った今も、プロフィリンタンパク質が関わるアクチン重合制御、ポリホスホイノシチドへの結合を介した細胞内シグナル伝達経路の活性化^3,6、微小管末端新陳代謝⁷、ポリ-L-プロリンドメインを介したリガンド結合^3,6、および腫瘍形成能を抑制する可能性など、未だ精査される余地があります^8-10。本稿では、プロフィリンが関与するさまざまな生物学的相互作用や、これらの相互作用がアクチン重合にどのように影響を与えるかについて考察します。

プロフィリンとアクチン重合

細胞内の輸送、運動性、分裂、および成長といった細胞プロセスには、アクチン細胞骨格の再構築が必要です。プロフィリンはアクチン重合を調節し、アクチン重合の阻害や促進を行います¹¹。プロフィリンは、単量体のG-アクチンと1:1の比率で結合親和性0.1 µMで結合し、成長しているフィラメントへ、G-アクチンが取り込まれるのを効率的に隔絶します（図１）。注目すべき点として、プロフィリンの細胞内濃度は10～80 µMと推定されており、これは細胞内に存在する高濃度のG-アクチンを維持するためには十分量ではありません^12-14。プロフィリンは、親和性は低い（25 µM）ものの、F-アクチンの反矢じり端にも結合できます^15-17。さらにPfn1は、G-アクチン上のADPについて、ATPへのヌクレオチド交換を1000 倍へと触媒するため、これにより反矢じり端成長に向けたATP-G-アクチンの貯えが再び供給されます^{6, 18, 19}。実際、アクチンフィラメントの反矢じり端が露出すると、アクチンフィラメントの反矢じり端上にATP-アクチンを積み込み、引き続き結合したプロフィリンタンパク質を解離することで、ATP-アクチン:プロフィリン複合体がフィラメント伸長を促進します^{6, 17}。しかしながら、アクチン重合体の反矢じり端に結合した末端キャップ形成タンパク質の存在下では、プロフィリンがアクチンフィラメント形成を阻止し、F-アクチン脱重合化を促進するアクチン隔離タンパク質として作用することがin vitroで観察されています^{11, 20}。F-アクチンの脱重合化は、in vivoにおいてもプロフィリンを、Swiss 3T3線維芽細胞またはラット腎細胞へ微量注入することで観察されています²¹。

図１.　ヒトプロフィリン-1（黄色）が、α -アクチン（灰色）の反対側とヒトVASPのポリプロリン由来ペプチドに結合した結晶構造。画像はUCSF Chimera³⁰(PDB 2PAV)により作製した。

プロフィリンが促進および阻害するアクチン重合化の正確な分子機構は複雑であるものの、プロフィリンはアクチン核形成促進因子であるforminやArp2/3複合体の活性制御において門番役として作用するように思われます²²。Forminが直鎖状で枝分かれしていないフィラメントを方向付けるのに対し、Arp2/3複合体とWASPのVCAドメインは枝分かれしたアクチンフィラメントの核形成を刺激します。近年の研究では、プロフィリンはformin介在性のアクチン重合を好み、Arp2/3介在性のアクチン重合を阻害することが示されています^22,23 。プロフィリン介在性Arp2/3活性阻害の根底にある正確な分子メカニズムはわからないものの、プロフィリンがformin介在性活性に向けてアクチン単量体を提供しつつ、アクチン単量体結合において直接的または間接的にWASPのVCAドメインと競合しているのではないかと推測されます²³。

プロフィリンとホスホイノシチド結合

ポリホスホイノシチドは、プロフィリンと相互作用して、少なくとも部分的にアクチン重合を調節します。プロフィリンは、ホスファチジルイノシトール 4, 5-二リン酸（PI(4,5) P2）およびホスファチジルイノシトール(3,4,5)-三リン酸（PI(3,4,5) P3）の両方と相互作用します^24-26。 PI(4,5)P2がプロフィリンに結合することで、プロフィリンのG-アクチンへの結合が妨げられ、結果としてArp2/3介在性の枝分かれフィラメント形成に向けたG-アクチンの貯蔵が増大すると考えられています。あるいは、PI(4,5)P2がリン酸化ホスホリパーゼCにより加水分解されることでプロフィリンが増大し、これによりG-アクチンの貯蔵が減少してformin介在性アクチン重合化が促進されます²⁷。これまでのところ、ホスホイノシチドが介在する、プロフィリンに制御されたアクチン構築の調節は、in vitroでのみ観察されています。

プロフィリンとポリ-L-プロリン

プロフィリンはまた、アクチン結合ドメインとは異なる自身のN-およびC-末端らせん体を介してポリ-L-プロリン伸展を認識します（図１）。プロフィリンの持つポリ-L-プロリン結合能によって、複数の生物種において50種類以上のリガンドに結合することができます⁶。プロフィリン結合パートナーには、アクチン制御に関与するものがある一方で、エンドサイトーシス、核外輸送、およびRac/Rhoエフェクタータンパク質シグナル伝達に関与する、新たに発見されたパートナーもあります⁶。結合パートナーが大いに多様なことから、プロフィリンは他の非アクチン関連経路により制御される、または関与している可能性が示唆されます。これらの相互作用の生理学的な関連性はよくわかっておらず、解明が待たれます。

プロフィリンとがん

アクチン細胞骨格における動的変化は、転移とがん細胞浸潤において生じます。Pfn1発現レベルが高い複数の乳がん細胞株では、腫瘍形成能、運動性、および侵襲性の低下が見られます^8,28。あるひとつの乳がん細胞株ではプロフィリンのアクチンへの結合が低下しており、腫瘍形成能抑制の低下が見られます²⁹。いくつかの乳がん細胞株や同所性がん系ではプロフィリンの過剰発現により侵襲性の低下が見られます^8,28。これらの結果より、プロフィリンによる細胞骨格動力の調節は、がん細胞増殖や遊走抑制に重要な役割を担い、そのためさらなる研究が必要であることが示唆されます。

まとめ

何十年にもおよぶ研究にも関わらず、アクチン結合タンパク質であるプロフィリンの機能性や結合パートナーは完全には理解されていません。実際、プロフィリンはアクチンに対して複雑な制御を行い、アクチンフィラメント形成の阻害と促進の両方を行うことができます。最近の報告はさらに興味をそそるもので、プロフィリンの機能はアクチン細胞骨格動力の制御をはるかに超え、微小管動力の制御、プロリンドメイン含有リガンドへの結合、およびポリホスホイノシチドへの結合を介した多数の細胞内シグナル伝達経路の活性化といった役割をも担うことが示唆されています。さらにプロフィリンは、抗がん治療における薬物標的としての可能性も含んでいます。研究者の方々がプロフィリンの様々な機能や結合パートナーを解明できるよう、Cytoskeleton社では精製アクチンや、プロフィリンを始めとするアクチン結合タンパク質、Acti-stainファロイジン、機能解析キット、およびF-アクチンイメージングプローブ (SiRシリーズ、SiR700シリーズ)をご提供しています。

参考文献

Carlsson L. et al. 1976. Crystallization of a non-muscle actin. J. Mol. Biol. 105, 353-366.
Carlsson L. et al. 1977. Actin polymerizability is influenced by profilin, a low molecular weight protein in non-muscle cells. J. Mol. Biol. 115, 465-483.
Krishnan K. and Moens P.D.J. 2009. Structure and functions of profilins. Biophys. Rev. 1, 71-81.
Aspenström P. 2010. Formin-binding proteins: modulators of formin-dependent actin polymerization. Biochim. Biophys. Acta. 1803, 174-182.
Witke W. et al. 2001. Profilin I is essential for cell survival and cell division in early mouse development. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 3832-3836.
Witke W. 2004. The role of profilin complexes in cell motility and other cellular processes. Trends Cell Biol. 14, 461-469.
Nejedla M. et al. 2016. Profilin connects actin assembly with microtubule dynamics. Mol. Biol. Cell. 27, 2381-2393.
Janke J. et al. 2000. Suppression of tumorigenicity in breast cancer cells by the microfilament protein profilin 1. J. Exp. Med. 191, 1675-1686.
Adami G.R. et al. 2017. A loss of profilin-1 in late-stage oral squamous cell carcinoma. J. Oral Pathol. Med. 46, 489-495.
Schoppmeyer R. et al. 2017. Human profilin 1 is a negative regulator of CTL mediated cell-killing and migration. Eur. J. Immunol. 47, 1562-1572.
Yarmola E.G. and Bubb M.R. 2006. Profilin: emerging concepts and lingering misconceptions. Trends Biochem. Sci. 31, 197-205.
Southwick F.S. and Young C.L. 1990. The actin released from profilin--actin complexes is insufficient to account for the increase in F-actin in chemoattractant-stimulated polymorphonuclear leukocytes. J. Cell Biol. 110, 1965-1973.
Moldovan N.I. et al. 1997. Regulation of endothelial cell adhesion by profilin. Curr. Biol. 7, 24-30.
Pernier J. et al. 2016. Profilin interaction with actin filament barbed end controls dynamic instability, capping, branching, and motility. Dev. Cell. 36, 201-214.
Perelroizen I. et al. 1994. Interaction of profilin with G-actin and poly(L-proline). Biochemistry. 33, 8472-8478.
Vinson V.K. et al. 1998. Interactions of Acanthamoeba profilin with actin and nucleotides bound to actin. Biochemistry. 37, 10871-10880.
Shekhar S. et al. 2016. Regulators of actin filament barbed ends at a glance. J. Cell Sci. 129, 1085-1091.
Tilney L.G. et al. 1983. Actin from Thyone sperm assembles on only one end of an actin filament: a behavior regulated by profilin. J. Cell Biol. 97, 112-124.
Pring M. et al. 1992. Profilin-actin complexes directly elongate actin filaments at the barbed end. Biochemistry. 31, 1827-1836.
Bubb M.R. et al. 2003. Depolymerization of actin filaments by profilin. Effects of profilin on capping protein function. J. Biol. Chem. 278, 24629-24635.
Hájková L. et al. 1997. Characterization of a mutant profilin with reduced actin-binding capacity: effects in vitro and in vivo. Exp. Cell Res. 234, 66-77.
Rotty J.D. et al. 2015. Profilin-1 serves as a gatekeeper for actin assembly by Arp2/3-dependent and -independent pathways. Dev. Cell. 32, 54-67.
Suarez C. et al. 2015. Profilin regulates F-actin network homeostasis by favoring formin over Arp2/3 complex. Dev. Cell. 32, 43-53.
Lassing I. and Lindberg U. 1985. Specific interaction between phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate and profilactin. Nature. 314, 472-474.
Fedorov A.A. et al. 1994. X-ray structures of isoforms of the actin-binding protein profilin that differ in their affinity for phosphatidylinositol phosphates. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 91, 8636-8640.
Chaudhary A. et al. 1998. Probing the phosphoinositide 4,5-bisphosphate binding site of human profilin I. Chem. Biol. 5, 273-281.
Bezanilla M. et al. 2015. Cytoskeletal dynamics: a view from the membrane. J. Cell Biol. 209, 329-337.
Zou L. et al. 2007. Profilin-1 is a negative regulator of mammary carcinoma aggressiveness. Br. J. Cancer. 97, 1361-1371.
Wittenmayer N. et al. 2004. Tumor suppressor activity of profilin requires a functional actin binding site. Mol. Biol. Cell. 15, 1600-1608.
Pettersen E.F. et al. 2004. UCSF Chimera--a visualization system for exploratory research and analysis. J. Comput. Chem. 25, 1605-1612.

Actin Products

品名	メーカー	品番	包装	希望販売価格
Profilin 1, Human	CYT	PR02-A	1*100 UG	￥63,000
Profilin 1, Human	CYT	PR02-B	1*500 UG	￥133,000
Profilin 1, Human	CYT	PR02-XL2	1*1 MG	￥282,000
Actin Protein (skeletal muscle, >95% pure), Rabbit, Unlabeled	CYT	AKL95-B	1*1 MG	￥32,000
Actin Protein (skeletal muscle, >95% pure), Rabbit, Unlabeled	CYT	AKL95-C	5*1 MG	￥128,000
Actin protein (rabbit skeletal muscle, >99% pure), Rabbit, Unlabeled	CYT	AKL99-A	4*250 UG	￥68,000
Actin protein (rabbit skeletal muscle, >99% pure), Rabbit, Unlabeled	CYT	AKL99-B	2*1 MG	￥81,000
Actin protein (rabbit skeletal muscle, >99% pure), Rabbit, Unlabeled	CYT	AKL99-C	5*1 MG	￥166,000
Actin protein (rabbit skeletal muscle, >99% pure), Rabbit, Unlabeled	CYT	AKL99-D	10*1 MG	￥318,000
Actin protein (rabbit skeletal muscle, >99% pure), Rabbit, Unlabeled	CYT	AKL99-E	20*1 MG	お問い合わせ
SiR-Actin Kit	CYT	CY-SC001	1 KIT [50-300 slides]	￥180,000
SiR700-Actin Kit	CYT	CY-SC013	1 KIT [35-200 slides]	￥180,000
Acti-stain^TM 488 phalloidin, Plant	CYT	PHDG1-A	1*500 UL [300 slides]	￥74,000
Acti-stain^TM 555 phalloidin, Mushroom	CYT	PHDH1-A	1*500 UL [300 slides]	￥74,000
Phalloidin; Fluorescent Derivatives (Acti-Stain^TM 535), Rhodamine Isothiocyanate	CYT	PHDR1	1*500 UL [300 slides]	￥74,000

Actin Biochem Kits

品名	メーカー	品番	包装	希望販売価格
Actin Binding Protein Spin-down Biochem Kit (for muscle)	CYT	BK001	1 KIT [30-100 assays]	￥254,000
Actin Binding Protein Spin-Down Biochem Kit (Non-muscle)	CYT	BK013	1 KIT [30-100 assays]	￥257,000
Actin Polymerization Biochem Kit, Rabbit	CYT	BK003	1 KIT [30-100 assays]	￥288,000
G-Actin : F-Actin In Vivo Assay Kit, Mouse	CYT	BK037	1 KIT [30-100 assays]	￥250,000