ダイナクチン
ダイナクチン（英語名：dynactin）は、合計23個の異なるタンパク質サブユニットが集まって形成される巨大な複合体です。この複合体は、細胞内の輸送路である微小管上を移動する主要なモータータンパク質である細胞質ダイニン1の働きを助ける補因子として機能します。
ダイナクチンは、高度に精製された細胞質ダイニンが、本来持つべき膜小胞を微小管に沿って移動させる能力を失ってしまうことから、その活性を回復させる因子として試験管内（in vitro）実験で特定されました。この因子が複数のタンパク質からなる複合体であることが明らかになり、ダイニンを「活性化」する役割（dynein activation）にちなんで「ダイナクチン」と名付けられました。その後の構造解析、特に急速凍結ディープエッチングおよび回転蒸着による電子顕微鏡観察により、ダイナクチンの基本的な形状が捉えられました。これは、アクチンフィラメントに似た長さ約37ナノメートルの短い棒状部分と、そこから横方向に伸びるより細いアームからなる特徴的な外観を持ちます。さらに、抗体を用いたラベリング技術によって、複合体を構成する各サブユニットがこの構造上のどこに位置するかが詳細にマッピングされています。
ダイナクチン複合体は、主に以下の3つの構造ドメインに分けられます。
サイド側のアームとショルダー（sidearm-shoulder）: DCTN1/p150Glued、DCTN2/p50/dynamitin、DCTN3/p24/p22といったサブユニットで構成されます。
Arp1フィラメント: Arp1（ACTR1A/centractin）を主成分とする短いフィラメント状のコア部分で、アクチンやCapZも含まれます。
* ポインテッドエンド複合体（pointed end complex, PEC）: Arp11（ACTR10）、DCTN4/p62、DCTN5/p25、DCTN6/p27が含まれます。
近年の4 Å分解能でのクライオ電子顕微鏡解析により、さらに詳細な構造が解明されています。フィラメント部分は、8分子のArp1、1分子のベータアクチン、そして1分子のArp11から構成されることが示されました。フィラメントのマイナス端にあたるPEC領域では、p62/DCTN4がArp11およびベータアクチンと結合し、p25とp27はp62とArp11の両方と結合しています。一方、フィラメントのプラス端はキャッピングタンパク質であるCapZαβによって覆われています。CapZの結合はアクチンへの結合と同様の形式ですが、電荷の相補性が高いため、Arp1フィラメントに対してより強固に結合します。
ショルダー部分は、2分子のp150Glued/DCTN1、4分子のp50/DCTN2、2分子のp24/DCTN3からなります。これらのサブユニットは長いアルファヘリックスバンドルを形成して互いに巻きつき合い、Arp1フィラメントと接しています。p50/DCTN2のN末端はショルダーから伸びてフィラメントを覆い、フィラメントの長さの制御に関与する可能性があります。p150Glued/DCTN1の大部分はショルダー内に収まりますが、N末端側の約1200アミノ酸はそこから突き出てアームを形成します。このアームのN末端にあるCap-Glyドメインは、微小管のC末端や微小管プラス端結合タンパク質EB1と結合できます。その後の塩基性領域も微小管結合に関与し、さらに2つのコイルドコイルドメイン（CC1, CC2）などが続きます。p150Gluedのアームは、Arp1フィラメントの側面やPEC部分にドッキングする柔軟性を持っています。
個別のサブユニット機能としては、DCTN2（dynamitin）が微小管の中心体への固定や脳発生におけるシナプス形成に関わる可能性が示唆されています。Arp1フィラメントは、ベータスペクトリンを介してゴルジ体や後期エンドソームなどの膜小胞がダイナクチンに結合する際の足場となることが示されています。PECは積み荷への選択的な結合を担うことが示されています。PECの構成要素であるp62/DCTN4とArp11/ACTR10は、ダイナクチン複合体全体の安定性や、有糸分裂前の核膜へのダイナクチン・ダイニン複合体の輸送に不可欠です。p25/DCTN5とp27/DCTN6は、複合体自体の完全性には必須ではありませんが、間期における早期・リサイクリングエンドソームの輸送や、有糸分裂時の紡錘体チェックポイントの調節に関与します。
ダイニンとダイナクチンは、ダイニンの中間鎖とダイナクチンのp150Gluedサブユニットとの直接的な結合によって相互作用することが知られています。この直接結合の親和性は比較的低いですが、積み荷アダプタータンパク質であるBICD2の存在下では、両者は強固な複合体を形成し、微小管上での効率的な長距離輸送を可能にします。BICD2のN末端部分がダイニンとダイナクチンの結合を促進する役割を果たします。
最近のクライオ電子顕微鏡解析から、BICD2のコイルドコイル構造がダイナクチンのArp1フィラメントに沿って巻き付くように存在することが明らかになりました。また、ダイニンのテール部分もArp1フィラメントに結合し、これはミオシンがアクチンに結合する際に用いる部位に相当する領域です。興味深いことに、ダイニンのテールとダイナクチンとの接触は全てBICD2を介しており、これがBICD2が両者の結合に必須である理由を説明しています。ダイニン・ダイナクチン・BICD2（DDB）複合体が微小管に結合した状態の電子顕微鏡像も得られており、BICD2の積み荷結合側末端がダイニンのモータードメインとは反対側のPEC領域を突き抜けて位置していることが示されています。
ダイナクチンは、多くの細胞プロセスにおいてダイニンの活動に不可欠な役割を果たします。輸送されるオルガネラなどがダイニンに結合する際の「ダイニン受容体」として機能し、その結合を調節すると考えられています。また、細胞質ダイニンやキネシン2といったモータータンパク質の「プロセシビティ（一度結合したら離れずに移動し続ける能力）」を高める働きもあります。
細胞分裂期においては、染色体の適切な整列や紡錘体の形成など、多様な過程に関与します。例えば、ダイナクチンはNuMAタンパク質との結合を通じて紡錘体極が収束するのを助けます。また、サブユニットであるDCTN2/dynamitinがZW10タンパク質と結合することでキネトコア（染色体に結合する構造）へ運ばれ、紡錘体チェックポイント（細胞分裂が正しく進行しているかを確認する仕組み）の不活性化に関わります。前中期には、CDK1キナーゼによってリン酸化されたDCTN6/p27サブユニットを介してPLK1キナーゼがキネトコアへ結合するのを補助し、微小管とキネトコアの適切な結合やチェックポイントタンパク質Mad1の動員に寄与します。
さらに、ショウジョウバエやゼブラフィッシュ、酵母などのモデル生物を用いた研究から、ダイナクチンが細胞周期における核の正確な位置決め維持に不可欠な役割を担うことが示されています。細胞分裂前期には、ダイニンと共に核膜上に集積し、DCTN4/p62やArp11サブユニットを介して核膜の分解を促進します。加えて、ダイナクチンは微小管が中心体へ固定されることや、中心体自体の構造的な完全性を保つためにも必要です。中心体におけるダイナクチンの機能不全は、G1期における中心小体の異常な分離を引き起こし、その後のS期への移行を遅らせることが分かっています。このことから、ダイナクチンが細胞周期を調節する重要な因子を中心体へ運ぶ役割も果たしていると考えられています。
細胞内の様々なオルガネラ輸送におけるダイニンとの協調に加え、ダイナクチンはキネシン2モーターを輸送対象のオルガネラと連結させる役割も持つことが示唆されています。
発見の経緯
ダイナクチンは、高度に精製された細胞質ダイニンが、本来持つべき膜小胞を微小管に沿って移動させる能力を失ってしまうことから、その活性を回復させる因子として試験管内（in vitro）実験で特定されました。この因子が複数のタンパク質からなる複合体であることが明らかになり、ダイニンを「活性化」する役割（dynein activation）にちなんで「ダイナクチン」と名付けられました。その後の構造解析、特に急速凍結ディープエッチングおよび回転蒸着による電子顕微鏡観察により、ダイナクチンの基本的な形状が捉えられました。これは、アクチンフィラメントに似た長さ約37ナノメートルの短い棒状部分と、そこから横方向に伸びるより細いアームからなる特徴的な外観を持ちます。さらに、抗体を用いたラベリング技術によって、複合体を構成する各サブユニットがこの構造上のどこに位置するかが詳細にマッピングされています。
構造的特徴
ダイナクチン複合体は、主に以下の3つの構造ドメインに分けられます。
サイド側のアームとショルダー（sidearm-shoulder）: DCTN1/p150Glued、DCTN2/p50/dynamitin、DCTN3/p24/p22といったサブユニットで構成されます。
Arp1フィラメント: Arp1（ACTR1A/centractin）を主成分とする短いフィラメント状のコア部分で、アクチンやCapZも含まれます。
* ポインテッドエンド複合体（pointed end complex, PEC）: Arp11（ACTR10）、DCTN4/p62、DCTN5/p25、DCTN6/p27が含まれます。
近年の4 Å分解能でのクライオ電子顕微鏡解析により、さらに詳細な構造が解明されています。フィラメント部分は、8分子のArp1、1分子のベータアクチン、そして1分子のArp11から構成されることが示されました。フィラメントのマイナス端にあたるPEC領域では、p62/DCTN4がArp11およびベータアクチンと結合し、p25とp27はp62とArp11の両方と結合しています。一方、フィラメントのプラス端はキャッピングタンパク質であるCapZαβによって覆われています。CapZの結合はアクチンへの結合と同様の形式ですが、電荷の相補性が高いため、Arp1フィラメントに対してより強固に結合します。
ショルダー部分は、2分子のp150Glued/DCTN1、4分子のp50/DCTN2、2分子のp24/DCTN3からなります。これらのサブユニットは長いアルファヘリックスバンドルを形成して互いに巻きつき合い、Arp1フィラメントと接しています。p50/DCTN2のN末端はショルダーから伸びてフィラメントを覆い、フィラメントの長さの制御に関与する可能性があります。p150Glued/DCTN1の大部分はショルダー内に収まりますが、N末端側の約1200アミノ酸はそこから突き出てアームを形成します。このアームのN末端にあるCap-Glyドメインは、微小管のC末端や微小管プラス端結合タンパク質EB1と結合できます。その後の塩基性領域も微小管結合に関与し、さらに2つのコイルドコイルドメイン（CC1, CC2）などが続きます。p150Gluedのアームは、Arp1フィラメントの側面やPEC部分にドッキングする柔軟性を持っています。
個別のサブユニット機能としては、DCTN2（dynamitin）が微小管の中心体への固定や脳発生におけるシナプス形成に関わる可能性が示唆されています。Arp1フィラメントは、ベータスペクトリンを介してゴルジ体や後期エンドソームなどの膜小胞がダイナクチンに結合する際の足場となることが示されています。PECは積み荷への選択的な結合を担うことが示されています。PECの構成要素であるp62/DCTN4とArp11/ACTR10は、ダイナクチン複合体全体の安定性や、有糸分裂前の核膜へのダイナクチン・ダイニン複合体の輸送に不可欠です。p25/DCTN5とp27/DCTN6は、複合体自体の完全性には必須ではありませんが、間期における早期・リサイクリングエンドソームの輸送や、有糸分裂時の紡錘体チェックポイントの調節に関与します。
ダイニンとの相互作用
ダイニンとダイナクチンは、ダイニンの中間鎖とダイナクチンのp150Gluedサブユニットとの直接的な結合によって相互作用することが知られています。この直接結合の親和性は比較的低いですが、積み荷アダプタータンパク質であるBICD2の存在下では、両者は強固な複合体を形成し、微小管上での効率的な長距離輸送を可能にします。BICD2のN末端部分がダイニンとダイナクチンの結合を促進する役割を果たします。
最近のクライオ電子顕微鏡解析から、BICD2のコイルドコイル構造がダイナクチンのArp1フィラメントに沿って巻き付くように存在することが明らかになりました。また、ダイニンのテール部分もArp1フィラメントに結合し、これはミオシンがアクチンに結合する際に用いる部位に相当する領域です。興味深いことに、ダイニンのテールとダイナクチンとの接触は全てBICD2を介しており、これがBICD2が両者の結合に必須である理由を説明しています。ダイニン・ダイナクチン・BICD2（DDB）複合体が微小管に結合した状態の電子顕微鏡像も得られており、BICD2の積み荷結合側末端がダイニンのモータードメインとは反対側のPEC領域を突き抜けて位置していることが示されています。
細胞における機能
ダイナクチンは、多くの細胞プロセスにおいてダイニンの活動に不可欠な役割を果たします。輸送されるオルガネラなどがダイニンに結合する際の「ダイニン受容体」として機能し、その結合を調節すると考えられています。また、細胞質ダイニンやキネシン2といったモータータンパク質の「プロセシビティ（一度結合したら離れずに移動し続ける能力）」を高める働きもあります。
細胞分裂期においては、染色体の適切な整列や紡錘体の形成など、多様な過程に関与します。例えば、ダイナクチンはNuMAタンパク質との結合を通じて紡錘体極が収束するのを助けます。また、サブユニットであるDCTN2/dynamitinがZW10タンパク質と結合することでキネトコア（染色体に結合する構造）へ運ばれ、紡錘体チェックポイント（細胞分裂が正しく進行しているかを確認する仕組み）の不活性化に関わります。前中期には、CDK1キナーゼによってリン酸化されたDCTN6/p27サブユニットを介してPLK1キナーゼがキネトコアへ結合するのを補助し、微小管とキネトコアの適切な結合やチェックポイントタンパク質Mad1の動員に寄与します。
さらに、ショウジョウバエやゼブラフィッシュ、酵母などのモデル生物を用いた研究から、ダイナクチンが細胞周期における核の正確な位置決め維持に不可欠な役割を担うことが示されています。細胞分裂前期には、ダイニンと共に核膜上に集積し、DCTN4/p62やArp11サブユニットを介して核膜の分解を促進します。加えて、ダイナクチンは微小管が中心体へ固定されることや、中心体自体の構造的な完全性を保つためにも必要です。中心体におけるダイナクチンの機能不全は、G1期における中心小体の異常な分離を引き起こし、その後のS期への移行を遅らせることが分かっています。このことから、ダイナクチンが細胞周期を調節する重要な因子を中心体へ運ぶ役割も果たしていると考えられています。
細胞内の様々なオルガネラ輸送におけるダイニンとの協調に加え、ダイナクチンはキネシン2モーターを輸送対象のオルガネラと連結させる役割も持つことが示唆されています。
もう一度検索
【記事の利用について】
タイトルと記事文章は、記事のあるページにリンクを張っていただければ、無料で利用できます。
※画像は、利用できませんのでご注意ください。
【リンクついて】
リンクフリーです。