Cdc14

Cdc14（cell division cycle 14）は、多くの真核生物で見つかる重要なタンパク質です。その存在は、リーランド・ハートウェル博士が実施した、出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）を用いた細胞周期制御遺伝子に関する画期的なスクリーニング実験の中で初めて明らかにされました。

後にCdc14がプロテインホスファターゼであることが判明し、特にリン酸化セリン/スレオニンとリン酸化チロシンの両方に作用する二重特異性を持つことが特徴です。さらに、プロリン残基に隣接するセリンに対する高い選択性も報告されています。

機能の多様性

初期の研究、とりわけ出芽酵母を用いた分析からは、Cdc14が有糸分裂の終盤プロセスを調節する上で中心的な役割を果たすことが強く示唆されていました。しかし、近年になって様々な生物種で実施された研究により、Cdc14の機能が当初考えられていたよりもはるかに複雑であることが明らかになっています。

出芽酵母における詳細な機能

出芽酵母（ScCdc14）におけるCdc14の活性については、最も多くの研究が進んでおり、理解が進んでいます。ScCdc14は、サイクリン依存性キナーゼであるCdk1の標的タンパク質を脱リン酸化することで、有糸分裂の終結を誘導します。具体的には、後期促進複合体（APC）の活性化因子であるCdh1を脱リン酸化し、Cdk1の結合パートナーであるサイクリン（サイクリンBなど）の分解を促進することで、Cdk1の活性低下に寄与します。また、Cdk1の阻害因子であるSic1を脱リン酸化して安定化させるほか、Sic1の転写を促進するために転写因子Swi5を脱リン酸化する働きも持ちます。

当初の有糸分裂終結に特化したモデルは、その後の研究でScCdc14の新たな役割が発見されたことで複雑化しました。ScCdc14は紡錘体の安定化、細胞質分裂の調節、rDNAやテロメアといった染色体領域の分離調節にも関与することが報告されています。細胞周期やDNA複製に関わるタンパク質、あるいは紡錘体やキネトコアに結合するタンパク質との相互作用も確認されています。さらに、RNAポリメラーゼIの働きを阻害し、rDNA領域へのコンデンシン結合を妨げるrRNAを除去することで、正確な染色体分離を助ける可能性も指摘されています。

他の酵母における機能の違い

他の酵母種を対象とした研究は、Cdc14の機能に関する理解をさらに広げています。例えば、分裂酵母（Schizosaccharomyces pombe）のCdc14相同体に変異が生じても、出芽酵母とは異なり有糸分裂の終結は正常に進行しますが、隔壁形成や細胞質分裂に異常が見られます。また、この相同体はCdk1相同体を調節しますが、出芽酵母のようにSic1やCdh1の脱リン酸化を介するのではなく、Cdc25ホスファターゼの活性を低下させることでCdk1相同体の不活性化を促します。カンジダ・アルビカンス（Candida albicans）においても、Cdc14は核膜形成や細胞質分裂に関わりますが、有糸分裂終結への直接的な関与は観察されていません。

動物における複雑な様相

動物種におけるCdc14の研究は、その機能像をより一層複雑で不明瞭なものにしています。動物ではCdc14遺伝子が最大3種類に分岐し、さらに複数のスプライシングバリアントが存在することが知られており、それぞれ異なる機能や細胞内局在を持つと考えられています。重要な研究結果の間でも矛盾が報告されるケースがあります。

線虫（Caenorhabditis elegans）は1種類のCdc14（CeCdc14）を持ちます。このタンパク質は、有糸分裂時には紡錘体と中心体に、間期には細胞質に存在します。あるRNAi実験では、CeCdc14の働きを抑えることで細胞質分裂の欠陥が引き起こされ、アフリカツメガエル（Xenopus laevis）を用いた同様の研究でも一致する結果が得られました。しかし、別のRNAi実験では欠陥が見られず、最初の実験結果は大量のオリゴヌクレオチド使用によるオフターゲット効果ではないかとの可能性も示唆されています。

ヒトのCdc14（hCdc14）に関する実験でも矛盾する結果が報告されています。CeCdc14とは異なり、hCdc14Aは有糸分裂時に中心体には局在しませんが、間期には細胞質と中心体の両方に存在します。hCdc14Bについては、ある研究では出芽酵母ScCdc14と同様に主に核小体に局在するとされた一方で、別の研究では核内繊維や紡錘体上で検出されています。

hCdc14AとhCdc14BをRNAiで抑制すると、中心小体の複製、細胞周期進行、有糸分裂終結に欠陥が見られましたが、これらの遺伝子を欠失させた細胞や、コンディショナルノックアウト細胞では、成長や有糸分裂、細胞周期に異常が認められませんでした。ニワトリのノックアウト細胞株でも同様に、細胞周期の進行や有糸分裂の開始・終結、細胞質分裂、中心体の振る舞いに欠陥は見られていません。一方で、Cdc14がDNA損傷チェックポイントに関与する可能性を示すデータも得られています。

進化的に異なる生物における示唆

真核生物におけるCdc14の新たな役割は、ジャガイモ疫病の原因菌である卵菌、ジャガイモ疫病菌（Phytophthora infestans）の研究からも示唆されました。真菌や動物とは系統的に離れたストラメノパイルに属するP. infestansでは、Cdc14（PiCdc14）の発現が強い転写制御下にあり、有糸分裂が活発な菌糸では発現せず、無性胞子形成時（特に2本の鞭毛を持つ遊走子）に産生され、鞭毛基部の基底小体付近に集積することが知られています。他の生物種での多様な機能と合わせると、P. infestansのデータは、Cdc14が進化的に古い時代には真核生物の鞭毛形成に関連していた可能性を示唆しています。この仮説は、後にゼブラフィッシュにおいて、Cdc14タンパク質が基底小体に局在し、繊毛形成に関わることが示された研究によっても支持されています。

減数分裂における役割

出芽酵母では、Cdc14は減数分裂における重要な段階の調節にも関わります。減数分裂の初期には、PP2Aの調節サブユニットであるCdc55がCdc14を核小体内に閉じ込めます。この核小体への隔離は、第一減数分裂時の紡錘体構築に必要ですが、染色体分離そのものには必須ではありません。減数分裂後期にCdc14が核小体から放出されることは、FEAR複合体（cdc Fourteen Early Anaphase Release）を構成するSlk19やSpo12といったタンパク質によって制御されます。核小体からの放出はCdk1の不活性化を引き起こし、結果として第一分裂後期の紡錘体解体をもたらします。Cdc14やFEAR複合体の構成因子が枯渇した細胞では減数分裂に異常が生じ、通常2回起こる分裂が1回しか起こらず、染色体分離も不正確になります。この異常は、第一分裂後期の紡錘体解体の遅れが原因で、紡錘体が維持されたまま2段階の染色体分離が続けて行われることに起因します。このように、Cdc14はSlk19やSpo12と共に、減数分裂における2段階の染色体分離が適切な順序とタイミングで起こるよう保証する上で重要な役割を担っています。

分布と進化

Cdc14は真核生物に広く分布しており、大部分の生物種でその遺伝子が見つかっています。しかし、ゲノム情報が利用可能ないくつかの生物種、例えば高等植物、紅藻、粘菌などではCdc14遺伝子が失われているようです。Cdc14遺伝子を持つ生物種と、鞭毛や繊毛を形成する生物種の間には、比較的高い相関関係が見られます。この観察は、Cdc14の古い機能が鞭毛関連であった可能性を裏付けています。進化の過程で、鞭毛を固定する基底小体（または中心小体）が運動や感覚の器官として進化し、後に有糸分裂に関わるようになったという仮説と合わせると、Cdc14の機能はこれらのオルガネラの進化と共に、異なる役割へと適応してきたのかもしれません。

調節機構

出芽酵母では、Cdc14は競合的な阻害因子であるCfi/Net1によって制御されており、このタンパク質がCdc14を核小体へ隔離します。有糸分裂後期になると、Cdc14はCfi/Net1から解放されて細胞全体に拡散します。この核小体からの放出は、FEARとMEN（Mitotic Exit Network）と呼ばれる二つのシグナル伝達ネットワークによって仲介されます。これらのネットワークは複雑な要素から成りますが、Cfi/Net1またはCdc14自身のリン酸化を引き起こし、両者の結合を解除すると考えられています。分裂酵母では、Cdk1によるCdc14相同体のリン酸化が、ホスファターゼとしての触媒活性を直接的に阻害することが報告されています。

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