真核細胞中間径フィラメントの分類、構造、機能

中間径フィラメント(Intermediate filaments, IF)は、
脊椎動物や多くの無脊椎動物の細胞に見られる細胞骨格の構造要素です。
無脊椎動物の中でも、頭索動物(Branchiostoma)において
IFタンパク質の相同体が確認されています。

中間径フィラメントは、共通の構造的および配列的特徴を共有する
関連タンパク質のファミリーで構成されています。
「中間径」と呼ばれるのは、その平均直径(10 nm)が、
アクチンマイクロフィラメント(7 nm)や
微小管(25 nm)の間にあるからです。

動物の中間径フィラメントは、アミノ酸配列とタンパク質構造の
類似性に基づいて6つのタイプに分類されています(1)。

TypeⅠ：酸性ケラチン
TypeⅡ：塩基性ケラチン
TypeⅢ：ビメンチン、デスミン、GFAP、ベリフェリン
TypeⅣ：ニューロフィラメント
TypeⅤ：ラミン
TypeⅥ：ネスチン

大部分のタイプは細胞質に存在しますが、
1つのタイプ（タイプV）は核ラミンです。
微小管とは異なり、中間径フィラメントの細胞内分布は、
ミトコンドリアや小胞体の分布とは良い相関を示しません(2)。
すなわち、微小管は、細胞内輸送やオルガネラの配置に密接に関与しており、
その分布が他の構造と強く関連していることが多いですが、
中間径フィラメントは、細胞の構造的な安定性や
機械的ストレスの分散に主に役立つため、その配置は、
ミトコンドリアや小胞体の配置とは直接的な関連性を持ちません。

すべての中間径フィラメントタンパク質には、
4つのαヘリックスセグメント(1A、1B、2A、2B)からなる
αヘリカルロッドドメインがあり、
それらの螺旋ドメインを分ける3つのリンク領域から構成されます。
この構造は原核細胞性の中間径フィラメントであるクレセンチン。
このドメイン構造と一定の相同性を持ちます。

中間径フィラメントの中心的な構成単位は、
2本のタンパク質が絡み合った「コイルドコイル構造」と呼ばれるものです。
各タンパク質がらせん構造を持ち、
その絡み合ったペアもらせん構造をしていることを反映しています。
ケラチンペアの構造解析によれば、コイルドコイルを形成する
2つのタンパク質は疎水性相互作用によって結合しています(3)(9:Figure 2)。
中央ドメインの荷電残基は、この結合には大きく関与していないと推定されています(3)。

細胞質の中間径フィラメントは、
非極性の単位長フィラメント(ULF)として組み立てられます。
非極性とはアクチンのように両末端構造で合成速度に差が生じないということです。
各構造が少しスライドした可溶性四量体を形成します(11)。
組み立てプロセスの一部には、ULFが引き締まって直径が小さくなる
「圧縮ステップ」が含まれます。この圧縮が起こる理由はよく理解されていませんが、
中間径フィラメントの直径は通常6～12 nmの範囲で観察されます。

IFタンパク質のN末端とC末端は非αヘリックス領域であり、
その長さや配列はIFファミリー間で大きく異なります。
N末端の「ヘッドドメイン」はDNAに結合します(4)。
これはタイプVの核ラミンの染色体構造の細胞核内の
位置調整、3次元折りたたみ構造に影響を与えるかもしれません。
ヘッド領域のリン酸化はフィラメントの安定性に影響を与えることがあります(5)。
また、ヘッドは同じタンパク質のロッドドメインと
相互作用することが示されています(6)。
C末端のテールドメインは、
異なるIFタンパク質間で極端に長さが異なります(9:Figure 2)(7)。
このC末端のドメインの長さを調整することによって
中間径フィラメントの機械的特性を制御している可能性があります。
すなわち、短ければ、ロッドドメインの硬い機械的特性が反映され、
長ければ、C末端ドメインの柔軟性を反映して、
繊維構造としての可動性、柔軟性を確保している可能性があります。
例えば、タイプⅤの核ラミンは283アミノ酸数があり、
タイプⅢのビメンチンの61アミノ酸数よりも顕著に長いです(9:Figure 2)。


細胞質の中間径フィラメントは、微小管やアクチン繊維材料自身が
その極性に基づいて、両末端で速い合成と分解を繰り返して
結果として位置移動するトレッドミリングを起こしませんが、
速度には差があるものの動的な構造を持っています(8)。


中間径フィラメントは以下、6つのタイプに分けられます。

タイプIおよびII – 酸性および塩基性ケラチン

ケラチン中間径フィラメント（赤色に染色、上皮細胞を囲む）
詳細情報: サイトケラチン

中間径フィラメントの中で最も多様であり、
タイプIは酸性、タイプIIは塩基性を示します。
多くのアイソフォームは次の2つのグループに分けられます。

上皮ケラチン(Epithelial keratins)(約20種類): 上皮細胞に存在します。

毛髪ケラチン(Hair keratins)(約13種類): 
髪の毛、爪、角、爬虫類の鱗を構成します。

いずれのグループでも、ケラチンは酸性または塩基性のいずれかであり、
酸性ケラチンと塩基性ケラチンが結合して酸性-塩基性の異種2量体を形成します。
このヘテロダイマーがさらに集合してケラチンフィラメントを形成します。

ケラチンはジスルフィド結合を持つ硫酸基を含む
アミノ酸、システインを多くの量含みます。

タイプIII

タイプIII中間径フィラメントタンパク質には4つのタンパク質があり、
これらはホモポリマーまたはヘテロポリマーを形成します。
神経系細胞では初めの軸索の成長の際に
初めにホモタイプのタイプⅢの中間系フィラメントが
細胞骨格として形状を支持し、
その後、タイプⅣのニューロフィラメントによって径を拡大し、
神経インパルスの伝導速度は、軸索の直径に比例するので
活動電位のために必要な速度を満たす径へと成長します(17)。

デスミンIF(Desmin IFs): 
筋細胞のサルコメア、Zディスクの構造要素であり、
デスモソームや細胞骨格などの細胞小器官を接続します。
従って、遺伝的構造異常は
筋ジストロフィー、心筋症と関連があります(9)。
その他、核膜にも含まれます。
螺旋ドメインは308アミノ酸数、
ヘッドドメインは84アミノ酸数含みます(12)。

グリア線維性酸性タンパク質(Glial fibrillary acidic protein,GFAP)
アストロサイト、他のグリア細胞、上衣細胞に見られます。
その他、糸球体、ライディッヒ細胞、骨細胞、軟骨細胞に見られます。
現在、8種類のアイソフォームが確認されています。
中枢神経系での発現量は異なり、
延髄、頸髄、海馬で多く発現がみられます(13)。
中間系フィラメントのリン酸化は高分子構造の分解に関わります(14)。
有糸分裂の際、多くのリン酸化GFAPが観られます(15)。
神経細胞とグリア細胞の相互作用を含めた
細胞間コミュニケーションへの寄与が想定されます。
この発現レベルはウィルス感染によって低下する可能性があります(16)。

ペリフェリン(Peripherin): 
末梢神経で見られます。
- 小型の根神経節ニューロン - 下位運動ニューロン
- 脳神経の感覚ニューロン - 運動ニューロン
- 自律神経節内のニューロン - 腸管神経系のニューロン
これらで発現が確認されています。
57 kDaの神経系の中間径フィラメントです。
3つのアイソフォーム(Per 56 Per 57 Per 61)が確認されています。
神経成長因子はペリフェリンの発現を調整している可能性があります(18)。
この変異が筋萎縮性側索硬化症に関連する場合があります(19)。

ビメンチン(Vimentin): 
310のαヘリックスアミノ酸数を持ちます(21)。
すべてのIFタンパク質の中で最も広く分布しており、
間葉細胞、線維芽細胞、白血球、血管内皮細胞に見られます。
細胞膜を支え、細胞質内で小胞体、ミトコンドリアなど
いくつかの細胞小器官を固定し、膜受容体信号を核に伝達します(20)。

シンコイリン(Syncoilin): 
筋組織特異的な非典型的なタンパク質です。
２つのアイソフォームが確認されています(23)。
結合パートナーとして同じ筋組織のデスミンを持ちます(22)。
筋組織のサルコメアのZディスクの機械的リンカーとして働きます。
この機能の為か、シンコイリンは他の中間径フィラメントのように
同種、異種での多量体繊維構造を形成しません(25)。
N末端領域にアミノ基(-NH₂)があり、
これは他の中間系フィラメントと相同ではありません(24)。


タイプIV

アルファインターネキシン(Alpha-internexin)
分子量は約66kDaです。
らせん構造のアミノ酸数は310です。
神経芽細胞、介在ニューロン、小脳顆粒細胞。
これらの平衡繊維として存在します。
いくつかの成熟神経細胞には存在しないかもしれません。
齧歯動物、人間で構造的に高く保持されています。
同種高分子構造を取ります。
神経細胞が成熟するに従い、
ニューロフィラメントが多く発現されるようになり、
それに従い、αインターネキシンの発現量が少なくなります(26)。
αインターネキシンはニューロフィラメントよりも長さが短く、
ニューロフィラメント構造形成の土台、Scaffold proteinsとしての役割。
それが示唆されています(27)。
ニューロフィラメントは軸索を力学的に支える細胞骨格の一つです(28:Fig.1)。
神経細胞は成熟するにあたり、触手を非常に長く伸ばしますから、
ニューロフィラメントの物質需要が増えることになります。
αインターネキシンとニューロフィラメントの物質比は
厳密に制御されているとされます(26)。

ニューロフィラメント(Neurofilaments): 
脊椎動物ニューロンの軸索に高濃度で見られる
タイプIV中間径フィラメントの一種。

シネミン(Synemin)(別名:Desmuslin)
筋組織の細胞に発現が観られます。
3つのアイソフォーム(α、β、L）を持ちます(30)。
αシネミンは骨格筋組織に見られますが、
βシネミンは新生児の心筋細胞に主にみられます(32)。
αジストロブレビン(α-dystrobrevin)
αアクチニン(α-actinin)、デスミン(desmin)。
これらと結合性を持ち、筋組織の中のサルコメアのZ-ディスクの
機械的な支持リンカーとして機能を持ちます(29)。
上述したシンコイリン(Syncoilin)と機能的に非常に類似します。
シンコイリンは繊維構造を作らないのに対して、
シネミンは繊維構造を作り、様々な細胞種で見られます。
また、PKA、PI3K-Aktなどの細胞内信号経路の伝達も果たします(31)。
神経系細胞に発現がみられるGFAPと共局在が観られます(33)。


タイプV – 核ラミン(nuclear lamins)

ラミンは細胞核の構造的機能を持つ繊維性タンパク質です。

後生動物細胞には、AタイプとBタイプのラミンがあり、長さやpIが異なります。
ヒト細胞では、3つの異なる遺伝子によって調節されます。
Bタイプのラミンはすべての細胞に存在し、
一方、Aタイプのラミンは原腸胚形成以降にのみ発現し、
これらのタンパク質は、核膜の内側表面にある核ラミナや
核質内の核質ベールに局在します。

ラミンはコイル1b内に追加の42アミノ酸残基(6つのヘプタード)を持ちます。
C末端尾部には、
- 核局在化シグナル(NLS)
- Igフォールド様ドメイン
- CaaXボックス(ラミンCには存在しない)
これらの構造があります。
ラミンAはさらに加工され、最後の15アミノ酸と
ファルネシル化されたシステインが除去されます。

有糸分裂中、ラミンはMPFによってリン酸化され、ラミナと核膜の解体が進みます。


タイプVI

ビーズ状フィラメント: フィレンシン(Filensin)、ファキニン(Phakinin)。

ネスチン(Nestin): 
分子量は大きく240kDaです。
神経系細胞の放射状の軸索の成長を力学的に支える
ニューロフィラメントの他の中間系フィラメントです。
異種高分子構造を好んで形成します。
ネスチンもアルファインターネキシンと同様に
神経系細胞、末梢神経における発達の初期段階で高発現し、
神経細胞に成熟するとニューロフィラメントに置き換わります。
ネスチンはグリオーマで特異的に検出されることから(34:Figure 1B)
グリオーマの未分化性を説明するかもしれません。
ネスチンは新たに増殖した内皮細胞にも見られ、
血管新生マーカーとして着目されています(34,35)。
ネスチンは未分化性とリンクしており、
血管新生が生じる前の分化、増殖過程で見られ、
内皮細胞として成熟し、血管が完成すると発現が低下します。
従って、脳腫瘍、大腸がん、すい臓がんなどの固形がんにおける
血管新生の過渡的なプロセスのマーカーとなりえます(36)。
従って、
ネスチン、アルファインターネキシンなど神経未分化性の強い
中間系フィラメントは細胞成熟を抑える遺伝子、転写因子。
これとリンクしている可能性があり、これらの発現を抑えて、
成熟細胞で多くなるニューロフィラメントの発現を亢進させると
神経細胞への成熟を誘導できるかもしれません。
これは増殖性の強い未分化性の癌細胞を持つ
脳腫瘍における分化誘導療法の一つのモダリティーとなります。
ネスチンを抑えることは脳腫瘍に限らず、
他の癌でも効果があるかもしれません(36)。
なぜなら、上皮細胞性の癌でも
未分化の癌の分化誘導することは
癌幹細胞の自己複製、増殖を抑える結果となる可能性があるからです。
これは慶應義塾大学から提案されています(37)。
血管新生を抑えることも合わせると、
想定よりも共通的な治療方法となる可能性があります。
このネスチンの癌病理マーカー、癌治療への応用は
群馬大学の研究成果に始まり、その後、
日本医科大学において提案されています(34-36)。


中間径フィラメントの総体的な役目としては
細胞にかかる機械的ストレスの吸収、そのシグナル伝達です。
一方で、上述したように様々なサブタイプを持ち
細胞種特異的な機能を有します(9)。
例えば、
タイプⅥのネスチンは未分化の幹細胞みられる中間径フィラメントです。
様々な分化過程に合わせて、迅速に構造を再構築できる特徴を持ちます。
中間径フィラメントは上述したようにトレードミリングは生じず、
アクチンフィラメントや微小管に比べて、構造として安定で
長期間、保持される特徴があります。
この中間径フィラメントは細胞と基質の接合である焦点接着を形成する
インテグリンと細胞質側で結合性を持ち(10)、
細胞核、細胞質、細胞膜、間質のマイクロレベルの骨格系の主要な一部です。
巨視的に観たときの体の骨(骨格)、筋組織のように
細胞レベルでの力学系となる形状、運動の基礎構造を構築します。


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