核膜

真核生物の細胞核を細胞質から明確に隔てる境界が核膜（nuclear envelopeまたはnuclear membrane）であり、この二重構造の生体膜が、細胞の生命活動に不可欠な遺伝情報であるDNAを内包し保護する重要な役割を担っています。核膜は、内膜と外膜という二層の脂質二重層から構成されており、これらが核を取り囲んでいます。

構造

核膜の基本的な構造は、二重の脂質二重層である内膜と外膜から成り立っています。これら二つの膜の間には、約20から40ナノメートルの隙間があり、これは核膜槽（perinuclear space）と呼ばれています。内膜と外膜は、多数の核膜孔によって物理的に連結されています。また、核膜の形状維持や構造的な支持は、二種類の中間径フィラメントのネットワークによって行われています。特に内膜の核質側には、ラミンと呼ばれる中間径フィラメントが緻密な格子状の裏打ち構造、すなわち核ラミナを形成し、核の形態を安定させています。外膜の細胞質側にも、より緩やかな構造で中間径フィラメントのネットワークが存在し、外側からの支持を提供しています。

外膜

核膜の外膜は、細胞内の別の膜構造である小胞体膜と連続しています。物理的なつながりはあるものの、外膜は小胞体膜と比較して非常に多くの種類のタンパク質を含んでいます。特に哺乳類では、ネスプリンと呼ばれる4種類のタンパク質がすべて外膜に存在します。これらのネスプリタンパク質は、特定のドメイン（KASHドメイン）を持ち、LINC複合体（linker of nucleoskeleton and cytoskeleton complex）の一部として機能します。LINC複合体は、核内の構造（核骨格）と細胞質の構造（細胞骨格）を結びつける役割を担っており、これにより核の位置決めや細胞が外部の物理的な刺激に応答する機械受容機能に関与しています。ネスプリン-1とネスプリン-2はアクチン繊維などの細胞骨格成分と直接結合したり、核膜槽のタンパク質と相互作用したりします。ネスプリン-3とネスプリン-4は、核内外への物質輸送における「積み荷」の受け渡しに関わる可能性が示唆されています。ネスプリン-3はプレクチンと結合し、核膜と細胞質の中間径フィラメントを連結します。一方、ネスプリン-4は微小管に沿って移動するモータータンパク質であるキネシン-1と結合することが知られています。また、外膜は内膜と融合して核膜孔を形成する過程にも関与しており、これは細胞の成長にとって重要です。

内膜

内膜は核膜槽よりも内側に位置し、直接核質を取り囲んでいます。内膜の核質側表面は、厚さ約10から40ナノメートルのメッシュ状の中間径フィラメント構造である核ラミナによって裏打ちされています。この核ラミナは核膜の安定化に大きく寄与するだけでなく、クロマチンの配置や機能、さらには遺伝子発現の調節にも関わっています。内膜は外膜と同様に、核膜孔によって連結されています。内膜と外膜、そして小胞体膜は連続した膜システムを形成していますが、これらの膜に存在するタンパク質は、膜全体を自由に拡散するのではなく、それぞれの局所に留まる傾向が見られます。内膜の構造や機能に関わるタンパク質に遺伝的な変異が生じると、ラミノパシーと呼ばれる一連の疾患を引き起こすことが知られています。

核膜孔

核膜には、数千個もの微細な孔が存在し、これらは核膜孔と呼ばれています。各核膜孔は、直径が約100ナノメートルに及ぶ巨大なタンパク質複合体であり、その内部にある物質が通過できるチャネルの直径は約40ナノメートルです。核膜孔は、内膜と外膜を貫通して両者を連結する構造であり、核と細胞質の間でタンパク質、RNA、低分子化合物などの物質が選択的に輸送されるための主要な通り道となっています。

細胞分裂

細胞周期の進行に伴い、核膜はその状態を変化させます。特に、間期のG2期には、核膜の表面積が増加し、核膜孔の数も約2倍に増加します。真核生物の有糸分裂の様式は多様であり、酵母などの一部の生物では「closed mitosis」と呼ばれる形式で分裂が行われます。この様式では、細胞分裂中も核膜は維持されたままであり、紡錘糸は核膜内で形成されるか、核膜を破ることなく貫通して染色体にアクセスします。一方で、動物や植物を含む多くの真核生物では「open mitosis」という形式が見られます。この場合、紡錘糸が核内部の染色体と結合できるように、核膜は前中期の間に一度解体されなければなりません。この核膜の解体と、その後の終期における再形成の正確な分子メカニズムについては、現在も研究が進められています。

解体

哺乳類細胞におけるopen mitosisでは、有糸分裂の初期段階を経て、核膜はわずか数分で急速に解体されます。この過程では、まずM-Cdkと呼ばれるキナーゼが核膜孔複合体を構成する一部のタンパク質（ヌクレオポリン）をリン酸化し、これによりこれらのタンパク質が核膜孔複合体から分離されます。その後、残りの核膜孔複合体全体が同時に解体されます。生化学的な解析からは、核膜孔複合体は完全に小さな断片に分解されるのではなく、いくつかの安定した構成要素にばらばらになると示唆されています。また、M-Cdkによるリン酸化は、核ラミナを構成するラミンタンパク質の解体も誘導し、これにより核膜全体が小さな小胞へと分裂します。これらの小胞は、しばしば小胞体膜に吸収されるという強い証拠が電子顕微鏡や蛍光顕微鏡による観察から得られています。実際に、通常は核内に存在するタンパク質が、有糸分裂期には小胞体膜上に出現することが確認されています。有糸分裂時以外にも、細胞が狭い環境を移動する際に、核膜が一時的に物理的に破れることがあります。このような一時的な損傷は、ESCRT複合体などの細胞質タンパク質によって迅速に修復されます。しかし、核膜が破れている間は、DNAの二本鎖切断が引き起こされるリスクも伴います。したがって、限られた空間を効率的に移動する細胞の生存は、核膜とDNAの損傷を迅速かつ正確に修復する仕組みに大きく依存していると考えられます。核膜の解体プロセスに異常が生じることは、ラミノパシーやがん細胞において観察されており、細胞内のタンパク質の誤った配置、小核の形成、そしてゲノムの不安定性といった問題を引き起こします。

再形成

有糸分裂の終期には、娘細胞の核が形成される過程で核膜が再形成されます。この再形成がどのようにして起こるかについては、いくつかの説が提唱されており、議論が続いています。有力な説としては、一つは「小胞の融合説」で、これは解体時に生じた核膜由来の小さな小胞が互いに融合して核膜が再構築されるという考え方です。もう一つは「小胞体の整形説」で、これは有糸分裂中に核膜成分を吸収した小胞体の一部が、新しい核の空間を取り囲むように形状を変化させ、閉じた核膜を再形成するという考え方です。

起源

比較ゲノム解析や進化生物学の研究から、核膜を持つ真核生物の核は、古細菌と細菌の共生によって生じた原始的な真核生物の祖先において出現したと提唱されています。核膜の具体的な進化的な起源については複数の仮説が存在します。例えば、原核生物の祖先の細胞膜が内側に陥入して核膜が形成されたという説や、古細菌を宿主細胞として、その中に始原的なミトコンドリア（細菌由来）が共生体として定着したことに伴って、新たな膜システムとして核膜が形成されたという説などがあります。核膜が出現したことの適応的な意義としては、細胞内でミトコンドリアの祖先によって産生される可能性のある活性酸素種などの有害な物質から、重要なゲノムDNAを保護するための物理的な障壁としての役割を果たしていた可能性が考えられます。

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