FtsZ

FtsZ - 細菌の細胞分裂を司るタンパク質

FtsZは、多くの真正細菌やユーリ古細菌の細胞で見られる重要なタンパク質です。このタンパク質は、`ftsZ`と呼ばれる遺伝情報に基づいて合成され、細胞が二つに分裂する際に中心的な役割を担います。具体的には、FtsZは細胞膜の直下に集まり、リング状の構造体、通称「Zリング」を作り上げます。このZリングが細胞の真ん中付近に形成されることで、細胞が締め付けられ、最終的に新しい細胞膜や細胞壁からなる「隔壁」が作られ、二つの娘細胞が分離されるのです。

このFtsZは、真核生物の細胞骨格を構成する主要なタンパク質の一つであるチューブリンと、アミノ酸配列や立体構造において高い相同性（ホモログ）を持つことが分かっています。事実、FtsZは、原核生物（細菌や古細菌）において初めて確認された細胞骨格タンパク質であり、その後の細菌細胞骨格研究の扉を開きました。FtsZという名前は、発見当初、大腸菌の温度感受性変異株が分裂できずに細長いフィラメント状になる性質（Filamenting temperature-sensitive mutant）に由来しています。特に、この変異株のグループZとして見つかったため、その名が冠されました。

研究の歴史

長らく、細胞骨格は真核生物特有のものと考えられていましたが、原核生物にも細胞骨格が存在するという概念は比較的最近確立されました。その先駆けとなったのがFtsZです。`ftsZ`遺伝子は、1950年代に日本の研究者、廣田幸敬らによって、大腸菌の細胞分裂に異常をきたす突然変異株のスクリーニングの中から発見されました。その後、1991年にはErfei BiとJoseph Lutkenhausらの研究により、FtsZが実際に細胞分裂箇所で環状構造、すなわちZリングを形成することが実験的に示されました。

細胞分裂における機能

FtsZは、細胞が分裂を開始する際に、まず最初にその分裂予定位置に集積します。そして、このZリングが足がかりとなり、細胞を物理的に分割するための隔壁を構築するのに必要な他の多数のタンパク質をリクルートします。細胞分裂におけるFtsZの機能は、真核生物が細胞質分裂（サイトカイネシス）の最終段階で用いるアクチン収縮環の役割と類似していると見なされることがあります。しかし、真核生物のアクチンとミオシンが協調して収縮力を生み出すのに対し、FtsZの場合、協働して働く明確なモータータンパク質は現在のところ知られていません。

このため、細胞を締め付ける細胞質分裂の駆動力そのものが、どのようにして生み出されるのかについては、完全には解明されていません。ただし、新しい細胞壁を合成し、隔壁を完成させるための力の一部は、FtsZリングの構造や機能に関連していると考えられています。興味深いことに、細胞壁を持たないL型菌と呼ばれる細菌は、FtsZに依存しない独自の細胞分裂機構を持つことが知られており、これは細菌の祖先型が保持していた分裂様式を示唆している可能性が指摘されています。また、古細菌の中でも真核生物に比較的近い系統であるプロテオ古細菌の一部はFtsZを持たず、真核生物が使うESCRTシステムに類似した機構で細胞分裂を行う例も見られます。

Zリングの構造と収縮メカニズム

FtsZタンパク質はGTP（グアノシン三リン酸）と結合する能力を持ち、GTPを加水分解するGTPアーゼとしての活性部位も有しています。生きた細胞内では、FtsZはサブユニットが一方向に並んだフィラメント状に重合し、これらのフィラメントが集まって細胞の中間位置や分裂隔壁の周囲に環状のZリングを形成します。FtsZのGTP加水分解活性は、フィラメントの形成や細胞分裂そのものに絶対的に必須ではないことが分かっています。GTPアーゼ活性を欠損した変異体でも不規則ながら隔壁を形成し分裂可能な場合があり、このことはFtsZの機能におけるGTP加水分解の役割が単純ではないことを示唆しています。

Zリングが細胞を分割する力そのものを生み出しているのか、それとも単に他の分裂関連タンパク質を集めるための「足場」として機能しているのか、この点も長らく議論の的となっています。力が生み出されるというモデルでは、FtsZフィラメントのサブユニット間で相対的な滑り運動が生じ、それがリング全体を収縮させると考えられています。コンピュータシミュレーションなどでは、FtsZの単繊維は一定以上の長さにならないことが示されており、短い繊維が多数集まって綱のような構造を作り、互いに引き合うことで収縮力が生じるとも推測されています。

一方で、足場モデルを支持する研究者もいます。この考え方では、FtsZリングは建設現場の足場のように、分裂隔壁を構築する他のタンパク質が働くための構造的な基盤を提供するとします。実際、Zリングの適切な形成と細胞膜への局在化には、FtsA（アクチンと相同なタンパク質）やZipAを含む多くのアクセサリータンパク質が必要です。これらのタンパク質がFtsZを細胞膜に固定し、さらにFtsW、FtsK、FtsQといった他のFtsファミリータンパク質が集まることで、Zリングが安定化され、隔壁形成プロセスが進行します。これらのアクセサリータンパク質自身が、隔壁構築の動力源や、FtsZのダイナミクスを制御している可能性も示唆されています。

Zリング形成の位置決定と制御

Zリングがいつ、細胞内のどこに形成されるかは、細胞の成長と分裂プロセスに正確に同期しています。大腸菌ではゲノム複製が完了した後に、枯草菌（B. subtilis）ではゲノムの約7割が複製された時点でZリング形成が始まるといったように、開始タイミングは種によって異なります。このような厳密な制御から、Zリングの形成を許可する空間的・時間的なシグナルが存在すると考えられており、そのメカニズムについてはいくつかのモデルが提唱されています。

中でもよく研究されているのがMinシステムです。これは、細胞の両端（極）や内部など、細胞の中央以外の場所でFtsZリングが形成されるのを積極的に阻害するシステムです。MinC、MinD、MinEといったタンパク質から構成され、特にMinDとMinCはFtsZの重合を妨げます。MinDは細胞極の細胞膜に局在し、ATP結合によって膜に固定されます。膜上のMinDはMinCを活性化し、この活性化されたMinCが近傍でのFtsZのフィラメント形成を阻害します。これにより、細胞極付近ではFtsZがZリングを形成できなくなります。

MinEタンパク質は、細胞の中央領域においてMinCD複合体の形成を積極的に妨げる役割を担います。大腸菌の場合、MinEは細胞極の近くでリング状の構造を形成し、MinDのATPアーゼ活性を促進することで、MinDを膜から遊離させます。MinDは膜から離れると不活性化され、FtsZを阻害できなくなります。この一連のプロセスにより、MinCD複合体は細胞極に押し込められ、細胞の中央領域ではFtsZが自由に重合してZリングを形成できるようになります。大腸菌のMinタンパク質は、約50秒周期で細胞極間を振動することが観察されており、この動的な挙動が細胞中央へのFtsZの局在化に寄与していると考えられています。ただし、枯草菌のようにMinCとMinDが静的に細胞極に濃縮されている種もあり、振動は普遍的な機構ではないようです。

Zリングの形成は、細胞が直面する様々なストレス、特にDNA損傷とも関連しています。DNAに損傷が生じると、SulAのようなストレス応答タンパク質が誘導されます。SulAはFtsZの活性部位に結合し、その重合やGTPアーゼ活性を阻害します。このようにFtsZの機能を一時的に停止させることで、細胞は損傷したDNAを持ったまま分裂してしまうことを防ぎます。さらに、DNA損傷の予防として、NocやSlmAといったタンパク質が、ゲノムDNAが存在する領域でのFtsZの重合を阻害することも知られています。これにより、ゲノムが娘細胞に正確に分配される前に分裂が起こることを防いでいると考えられています。

まとめ

FtsZは、原核生物の細胞分裂という生命維持に不可欠なプロセスを司る、中心的な細胞骨格タンパク質です。その発見は細菌細胞骨格という新しい研究分野を切り開き、真核生物のチューブリンとの類縁性も示しています。Zリングの形成、他のタンパク質との協調、Minシステムに代表される厳密な位置決定機構、そしてストレス応答との連関など、その機能は多岐にわたります。しかしながら、細胞を物理的に分割する力の源泉や、Zリングの動的な挙動の詳細など、未解明な点も多く残されており、今後の研究による解明が期待されています。

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