スペクトリン

スペクトリン（Spectrin）

スペクトリンは、細胞の形を維持し、細胞膜の構造を保つ上で中心的な役割を果たす細胞骨格タンパク質です。多くの種類の細胞において、細胞膜のすぐ内側に位置しており、五量体あるいは六量体として機能します。特に六量体は、スペクトリンの四量体の両端に短いアクチン繊維が結合した構造を持ち、これらのユニットが組み合わさることで、細胞膜の裏側に六角形の網目状の骨組みを形成します。この強固な網目は、細胞に物理的な強度を与え、その形状を安定させるための足場となります。

脳に強い衝撃を受けるなどの外傷、例えばびまん性軸索損傷といった状態に陥ると、スペクトリンはカルパインと呼ばれる酵素によって不可逆的に分解されてしまうことがあります。このスペクトリンの断裂は、細胞の骨組みを破壊し、細胞膜にダメージを与えることで、細胞内に体液が流入し水ぶくれのような状態（漿液による水疱）を生じさせ、最終的に細胞を死に至らしめる原因となります。

赤血球におけるスペクトリン

赤血球は、その比較的単純な構造と入手しやすさから、スペクトリンの研究において長らくモデル細胞として用いられてきました。赤血球のスペクトリンは、αIとβIという2つのサブユニットからなる二量体が形成され、さらに二量体同士が結合して四量体となります。この四量体の両端にアクチン繊維が結合することで、最終的に機能的な六量体ユニットが完成します。これらのユニットは、アンキリンという別のタンパク質を介して赤血球の細胞膜内側に結合し、赤血球特有の柔軟で変形可能な円盤状の形状を維持するための丈夫な網目構造を形成しています。赤血球のスペクトリンをコードする遺伝子に突然変異が生じると、赤血球の形が異常になる遺伝性球状赤血球症などの遺伝性疾患を引き起こすことが知られています。

無脊椎動物のスペクトリン

無脊椎動物には、α、β、βHという3種類のスペクトリンが存在します。例えば、線虫（C. elegans）を用いた研究では、βスペクトリンの遺伝子に変異が生じた個体は、野生型と比べて体長が短くなったり、麻痺したかのような異常な動きを示すことが観察されています（Unc-70変異など）。この変異は、単に形態的な影響を与えるだけでなく、神経系にも障害を引き起こします。具体的には、ニューロン（神経細胞）の数は正常であるにも関わらず、神経が適切に伸長できなくなることが報告されています。同様に、ショウジョウバエにおいても、スペクトリンはニューロン機能に不可欠な役割を担っています。ショウジョウバエでαおよびβスペクトリンの遺伝子を機能しないように操作（ノックアウト）すると、外見上は正常に見えても、ニューロンと筋肉の間の信号伝達がうまく行えなくなることがわかっています。

脊椎動物のスペクトリン

脊椎動物のスペクトリン遺伝子ファミリーは、進化の過程で多様化しています。無脊椎動物が1種類のα型と2種類のβ型のスペクトリン遺伝子を持つのに対し、脊椎動物は2種類のα型（αIとαII）と5種類のβ型（βIからβV）といった、より多くの種類のスペクトリン遺伝子を持っています。スペクトリンの生産は、GATA1と呼ばれる転写因子によって促進されることが明らかになっています。

筋肉組織でのスペクトリンの役割と疾患

スペクトリンは、筋肉組織、特に心筋細胞においても重要な機能を持っています。心筋細胞では、スペクトリンはZ帯や筋原線維の細胞膜といった特定の場所に偏在して存在します。スペクトリンを細胞膜に結合させるアンキリンというタンパク質を欠損させたマウスを用いた研究では、心筋細胞内のカルシウムイオンのバランスが崩れ、Z帯やサルコメア（筋原線維の最小単位）の構造も維持できなくなることが示されました。さらに、このような心筋細胞では、カルシウムイオンの放出に関わるリアノジン受容体やIP3受容体の分布、および細胞内のカルシウムシグナル伝達にも異常が見られました。ヒトにおいては、アンキリンB遺伝子の変異が、心臓のリズム異常を引き起こすQT延長症候群や突然死の原因となることが報告されており、スペクトリンを含む細胞骨格系の異常が心疾患の発症に深く関わっていることが示唆されています。

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