核局在化シグナル

核局在化シグナル (NLS)

細胞は、細胞質と核という異なる区画に分かれています。特に真核細胞では、DNAの複製や転写といった生命活動に不可欠なプロセスが核内で行われる一方、タンパク質の合成は主に細胞質で行われます。そのため、核内で機能する必要のあるタンパク質は、何らかの仕組みによって細胞質から核へと輸送されなければなりません。この核への輸送を可能にする「住所ラベル」のような働きをするアミノ酸配列が、核局在化シグナル（Nuclear Localization Signal/Sequence, 略称: NLS）です。これは核移行シグナルとも呼ばれています。

NLSは一般的に、タンパク質の表面に露出しており、正電荷を帯びたリシンやアルギニンといった塩基性アミノ酸を複数含む、比較的短い配列によって構成されています。異なるタンパク質でも同じNLSを持つ場合があり、これは様々なタンパク質が共通の輸送経路を利用できることを示唆しています。NLSは、タンパク質を核外へ運び出す核外搬出シグナル（NES）とは対照的な機能を持ちます。

発見とその歴史

核膜が存在し、核と細胞質を隔てていることは古くから知られていましたが、核内タンパク質がどのようにして核へ入るのかは長い間謎でした。初期には、核膜にある無数の孔（核膜孔）が単純な開口部であり、タンパク質は自由に核内に入り込み、核内の要素に結合することで偶然そこに留まると考えられていました。つまり、特異的な輸送メカニズムは存在しないという見方でした。

この考えに疑問を投げかけたのは、1982年のDingwallとLaskeyによる研究です。彼らは分子シャペロンであるヌクレオプラズミンというタンパク質を用いて、核内へ運ばれるためにタンパク質が必要とする特定の「シグナル」ドメインがタンパク質内に存在することを初めて示しました。この画期的な発見が、NLS研究の始まりを強く後押ししました。そのわずか2年後には、ウイルス性タンパク質であるSV40ラージT抗原に含まれる PKKKRKV という配列が、最初に同定されたNLSとして報告されました。

しかし、SV40ラージT抗原のNLSと似た配列を持つ細胞性の核内タンパク質はごく一部であり、その後のNLS探索は困難を極めました。再びヌクレオプラズミンの詳細な解析が進められた結果、SV40 NLSとは異なり、約10個のアミノ酸からなるスペーサー配列を挟んで、2つの塩基性アミノ酸クラスターからなる配列が核局在に必須であることが判明しました。このタイプのNLSは双節型（bipartite）NLSとして知られるようになり、一方、SV40ラージT抗原のような1つの連続した塩基性クラスターを持つものは単節型（monopartite）NLSと呼ばれるようになりました。現在では、多くの細胞性核内タンパク質に見られる主要なNLSは双節型であることが分かっています。

これらの研究を通じて、タンパク質の核輸送がエネルギーを必要とする特異的なプロセスであることが明らかになり、この輸送に関わる因子として、NLSを認識するインポーチンファミリーや、輸送の方向性を制御するGTPアーゼであるRanが同定されました。核膜孔への結合はエネルギー不要ですが、その後の核膜孔チャネル通過はエネルギー依存的な段階であることが確立されました。

NLSの多様なタイプ

NLSは構造や認識機構によっていくつかのタイプに分類されます。

主にインポーチンαという受容体によって認識されるものを典型的NLS（classical NLS）と呼びます。これには前述の単節型と双節型が含まれます。

単節型NLS: 1つの塩基性アミノ酸クラスターを持ちます。SV40ラージT抗原の PKKKRKV が代表例です。Chelskyらによって、単節型NLSのコンセンサス配列は K-K/R-X-K/R である可能性が提唱されました。
双節型NLS: 短いスペーサー配列を介して隔てられた2つの塩基性アミノ酸クラスターを持ちます。ヌクレオプラズミンの KRPAATKKAGQAKKKK が典型例です。インポーチンαはこれらのNLSを認識しますが、核への輸送を実際に媒介するのは、インポーチンα自身が持つ双節型NLSを認識するインポーチンβであると考えられています。

Makkerhらの研究では、SV40、c-Myc、ヌクレオプラズミンのNLSを比較し、これら異なるタイプのNLSに共通するアミノ酸の特徴が存在すること、また塩基性アミノ酸だけでなく中性や酸性アミノ酸も輸送効率に影響することが示されました。さらにRotelloらの実験では、c-MycのNLSがSV40のNLSと比較して非常に高い核局在効率を持つことが報告されるなど、同じ典型的NLSの中でも効率に違いがあることが分かっています。

一方、非典型的NLS（non-classical NLS）と呼ばれるものも多数存在します。これらは典型的NLSとは異なる構造を持ち、インポーチンαを介さずに、インポーチンβファミリーに属する特定の受容体によって直接認識されることが多いのが特徴です。例えば、hnRNP A1タンパク質の酸性領域であるM9ドメインや、酵母のMatα2タンパク質の KIPIK 配列、あるいはU snRNPに見られる複雑なシグナルなどがこれに含まれます。

特に近年注目されているのがPY-NLSと呼ばれるタイプです。この名称は、配列中にプロリン（P）とチロシン（Y）のペアが存在することに由来します。PY-NLSは、インポーチンβ2（トランスポーチンとも呼ばれる）という特定の受容体に直接結合し、タンパク質を核内へ運びます。PY-NLSとインポーチンβ2の複合体の構造が解明され、核内輸送を阻害する薬剤の開発にも繋がっています。また、大量に必要とされるリボソームタンパク質には、これらを効率よく輸送するための特異的なシグナルと、それに対応する特別なインポーチンβ様受容体が存在すると考えられています。

核への輸送機構

タンパク質の核への輸送は、主に核膜孔複合体（Nuclear Pore Complex, NPC）を介して行われます。NPCは核膜を貫通する巨大なタンパク質複合体であり、細胞質と核質の間の主要な輸送経路です。

NLSを持つカーゴタンパク質は、まず細胞質で核内輸送受容体であるインポーチン（典型的NLSの場合は主にインポーチンα/β複合体、非典型的NLSの場合は特定のインポーチンβファミリーメンバー）と結合し、複合体を形成します。この複合体はNPCに結合し、NPCチャネル内を移動して核質側へ入ります。

核質側には、GTP結合状態にあるRan（Ran-GTP）が豊富に存在します。核内で、このRan-GTPがインポーチン複合体に結合すると、インポーチンとカーゴタンパク質間の親和性が低下し、カーゴタンパク質はインポーチンから解離します。

カーゴタンパク質を核質に放出した後のインポーチンは、Ran-GTPと結合したままNPCを通過して細胞質側へ移動します。細胞質には、Ran-GTPをGDPへ加水分解するGTPアーゼ活性化タンパク質（GAP）が存在します。GAPによってRan-GTPがRan-GDPに変換されると、Ranの構造が変化し、インポーチンとの結合が弱まってインポーチンが解離します。

細胞質で解離したインポーチンは再び新たなカーゴタンパク質を捕捉するために待機します。一方、Ran-GDPは別の輸送因子によって再び核内へ輸送され、核質に存在するグアニンヌクレオチド交換因子（GEF）によってGDPがGTPに交換され、Ran-GTPとして再生されます。このように、RanのGTP結合状態とGDP結合状態の細胞質/核質間での不均一な分布が、核内輸送の方向性を決定する駆動力となっています。

NLSの研究は、細胞の機能を理解する上で非常に重要であり、ウイルス感染や癌、神経変性疾患など、様々な病態との関連も指摘されています。NLSの構造と機能、そしてそれらを介した核輸送機構の解明は、これらの疾患に対する新しい治療法開発への道を開く可能性を秘めています。

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