カタニン

概要

カタニン（katanin）は、細胞の骨格を形成する主要な要素である微小管を切断する働きを持つAAAタンパク質です。その名称は、細胞内の構造を「刀」で断ち切るイメージに由来すると考えられています。ウニから初めて発見されたカタニンは、約60 kDaのATPアーゼサブユニット（p60）と、約80 kDaの調節サブユニット（p80）からなるヘテロ二量体タンパク質です。ヒトでは、p60サブユニットはKATNA1遺伝子、p80サブユニットはKATNB1遺伝子によってコードされます。p60サブユニットが実際に微小管を切断する機能を持っており、この活性にはATPのエネルギーと微小管そのものの存在が必要です。一方、p80サブユニットはp60のATPアーゼ活性を調整したり、細胞内の特定の位置、特に中心体へカタニンを運んだりする役割を果たします。

作用機構

カタニンが微小管を切断する機構は、まず微小管の表面にATPを結合した状態でカタニンがリング状の複合体を形成することから始まります。微小管は、チューブリンというタンパク質が重合してできており、チューブリンに結合したGTPが加水分解されると、チューブリンの構造は少し曲がった形に変化します。しかし、微小管として組み立てられた状態では、周囲のチューブリンとの相互作用によって、この曲がった形になろうとする力が抑えられ、直線的な配置が保たれています。カタニンのリング複合体は、この安定化を壊すように働きます。微小管上で多量体化することでカタニンの微小管への結合力が高まり、ATPアーゼ活性が促進されます。このATP加水分解によって生じるエネルギーを利用し、カタニンはチューブリンサブユニットに機械的なひずみを与え、微小管内部の相互作用を不安定化させると考えられています。この構造変化は、カタニンとチューブリン、あるいはカタニン同士の結合力も低下させ、結果的にカタニンのリング複合体は解体され、不活性化されたカタニンは再び使えるようリサイクルされます。この一連の過程を経て、微小管は途中で切断されます。

微小管の長さと配置の調節

カタニンによる微小管の切断は、細胞内の微小管結合タンパク質（MAP）やカタニンのp80サブユニットによって制御されます。特にp80サブユニットが存在すると、切断効率が高まります。また、細胞内のどの場所でカタニンが活性化されるかによって、微小管に異なる影響を与えます。例えば、細胞の中心にある中心体で微小管が切断されると、微小管は中心体から切り離されて細胞質中に放出されます。カタニンの働きを阻害すると、微小管が中心体の周りに異常に蓄積し、微小管の伸長が妨げられることが観察されています。このことから、カタニンを介した切断は、微小管の再配置や動きを促進し、細胞質の構造を適切に維持するのに貢献していると考えられます。細胞が分裂する際には、紡錘体の極で微小管が切断されることで、チューブリンが極方向へ流れる「poleward flux」という現象や、微小管の短縮が引き起こされ、染色体の分離に重要な役割を果たします。細胞質での微小管切断も、微小管が細胞内を移動する「トレッドミリング」やその運動性を高め、発生過程で重要な機能を持っています。

細胞分裂における役割

カタニンは、有糸分裂や減数分裂といった細胞が増殖したり、生殖細胞を作ったりする過程で不可欠な働きをします。アフリカツメガエルを用いた研究では、カタニンがM期（分裂期）における微小管切断の主要な担い手であることが示されています。細胞が分裂の準備をするためには、普段維持されている間期の微小管ネットワークを一旦解体する必要があります。この解体は、間期に微小管を切断から守っているMAPが微小管から離れることで可能となり、そこにカタニンが作用します。また、分裂の後期に姉妹染色体が互いに分離する際には、それを引っ張る紡錘体微小管の短縮が必要となり、カタニンがその切断に関与します。

線虫Caenorhabditis elegansの減数分裂でも同様の機能が確認されています。線虫のmei-1遺伝子とmei-2遺伝子は、それぞれカタニンのp60およびp80サブユニットに似たタンパク質をコードしています。これらのタンパク質は減数分裂時の紡錘体微小管の末端に集まることが抗体実験で示されており、ヒト培養細胞でこれらのタンパク質を発現させると微小管の切断が観察されました。これらの研究結果は、カタニンが有糸分裂と減数分裂の両方で、染色体を適切に分離するために必要な役割を果たしていることを示唆しています。

発生における機能

カタニンは、多くの生物の発生過程においても重要な働きを担っています。例えば、神経系の発達において、カタニンが不足しても過剰にあっても、神経細胞の軸索（情報を伝える長い突起）の成長に悪影響が出ることが分かっています。このため、神経が適切に発達するには、カタニンの活動が厳密に調節されることが重要です。特に、カタニンが細胞内の特定の場所で微小管を切断することで生じる短い微小管の断片は、神経が伸びていく際に様々な方向へ探索するのに役立つと考えられています。蛍光標識したチューブリンを用いた観察から、神経発生中の軸索の分岐点や先端部分（成長円錐）では、一時的に成長が止まり、微小管が断片化する様子が見られています。

イモリの肺の発生においても、同様に蛍光標識チューブリンを用いた実験で、移動中の肺細胞の突起部（ラメリポディア）で局所的な微小管の断片化が観察されました。これらの断片は、細胞が進む方向に対して垂直方向に伸びることで、細胞の探索運動を助けていました。このように局所的に切断が起こることは、カタニンの働きが細胞内の特定の領域に限られている可能性を示唆しています。また、植物のモデル生物であるシロイヌナズナにおいて、カタニンの仲間（オルソログ）であるFra2に変異があると、細胞壁に沿って作られるセルロースという繊維の蓄積が異常になり、細胞の伸長が低下する表現型を示します。これは、カタニンが植物を含む幅広い生物の発生に重要な役割を果たしていることを示しています。

神経における機能

神経系は特にカタニンが豊富に存在する組織です。神経系では、カタニンを構成するp60とp80のサブユニットの量のバランスが他の組織と大きく異なっており、このバランスが微小管切断の制御に重要であると考えられています。p80サブユニットは、単量体の形で神経細胞の様々な場所に存在し、カタニンを特定の場所へ運ぶだけでなく、p60による切断作用を促進したり抑制したりするなど、多様な機能を持ちます。神経系に多く存在するカタニンは、軸索に沿って運ばれることが示されています。特に、軸索の分岐点や成長円錐といった場所では、微小管の切断が活発に起こっています。神経系におけるカタニンの分布や働きを理解することは、微小管の長さや数の調節、そして中心体からの微小管放出といった現象を理解する上で役立ちます。

カタニンの活性は、他のタンパク質によるリン酸化によって調節されると考えられています。また、微小管が曲がった構造をとると、カタニンがよりアクセスしやすくなり、切断が促進されることも示唆されています。

植物における機能

カタニンは、高等植物においても動物と似た機能を持っていることが知られています。植物細胞の形や硬さは、強固な細胞壁によって保たれており、細胞壁に含まれるセルロース繊維は非常に規則正しく配置されています。微小管は、このセルロース繊維がどこに作られるかをガイドする役割を果たし、セルロース繊維の向きに影響を与えます。一般的に、植物細胞の微小管は、細胞が伸びる方向に対して垂直に並んでおり、細胞伸長に重要な役割を担います。植物細胞には動物にあるような中心体がないため、カタニンは細胞分裂の前期の始まりに、紡錘体が形成される場所である核膜の周りに集まります。

細胞が伸長する際には、細胞の長さが増えるにつれて微小管の配置も常に調整される必要があります。このような微小管ネットワークの継続的な変化は、微小管が素早く分解・再構築され、細胞内を移動することによって実現されていると考えられています。植物のカタニンホモログに変異があると、この微小管ネットワークの移行がうまくいかなくなり、その結果として細胞壁を構成するセルロースやヘミセルロースが適切に蓄積されなくなることが示されています。

興味深いことに、植物には動物のp80調節サブユニットに相当するタンパク質が見つかっていません。そのため、植物におけるカタニンの機能研究は、シロイヌナズナのp60サブユニット（At-p60）を中心に進められています。At-p60は、試験管内実験で、ATPが存在すれば微小管を切断する能力を持ちます。また、他の実験から、At-p60が微小管に直接結合することが示されています。At-p60のATPアーゼ活性と微小管のチューブリンとの関係は少し複雑で、チューブリンの量がAt-p60に対して少ないとATP加水分解が促進されますが、多いと逆に阻害されます。同様に、チューブリンが少ない条件ではAt-p60同士の結合（オリゴマー化）が促進され、多いと阻害されます。動物のカタニンと同様に、At-p60も集まってオリゴマーを形成することが分かっています。動物のp60が微小管と結合するN末端領域は、植物と動物の間であまり似ていないことも分かっており、植物特有の調節機構が存在する可能性が考えられています。

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