KIF11

KIF11 (キネシンファミリーメンバー11)

概要

KIF11は、真核細胞の有糸分裂過程において中心的な役割を果たすモータータンパク質であり、ヒトにおいては`KIF11`遺伝子によってコードされています。このタンパク質は、細胞内のレールともいえる微小管上を移動するナノモーター群であるキネシンスーパーファミリーに属しています。初期の研究段階では、キネシン-5、BimC、Eg5、N-2といった様々な名称で呼ばれていました。

現在までに、配列の類似性に基づいて、70種類を超える真核生物のキネシン-5タンパク質が同定されています。このファミリーのメンバーは、細胞分裂における紡錘体の構築や機能維持に深く関わっており、特に有糸分裂の進行には不可欠な存在です。KIF11の主要な機能としては、染色体の適切な配置、中心体の分離、そして細胞分裂に必要な双極型紡錘体の構造確立などが挙げられます。ヒトのキネシン-5（KIF11）は、有糸分裂におけるその重要な役割から活発な研究対象となっており、さらにがん治療における新たな標的候補としても大きな関心を集めています。

分子構造と機能

KIF11（キネシン-5、Eg5とも称される）は、ホモ四量体として機能します。この構造は、紡錘体内で逆平行に走行する微小管を橋渡しし、紡錘体の特徴である双極性を保つ上で重要です。タンパク質のN末端に位置するモータードメイン（モーターヘッド）は、ATPを加水分解する能力を持ち、このエネルギーを利用して微小管に結合し、その上を移動します。キネシン-5は双極性のホモ四量体構造を形成することで、逆平行に配置された微小管束を互いにスライドさせ、引き離すことが可能です。このモーターの機能は、ほとんどの生物の有糸分裂において、微小管を基盤とした紡錘体の自己組織化に必要不可欠ですが、細胞生存そのものに常に必須であるとは限りません。興味深いことに、このモーターは哺乳類の神経系においても、成長円錐の誘導や軸索の伸長など、適切な神経発達過程に関与している可能性が示唆されています。

生物学的役割

有糸分裂における役割

多くの真核細胞において、キネシン-5は有糸分裂の前期に、逆方向を向いた微小管対の間にクロスブリッジを形成すると考えられています。これにより、複製された中心体が紡錘体の形成時に引き離され、安定した双極型紡錘体構造が確立されます。哺乳類、植物、菌類など、様々な真核生物種でキネシン-5の機能を失わせる実験が行われており、その結果、有糸分裂に深刻な欠陥が生じることが示されています。キネシン-5のモーター機能は有糸分裂の開始からを通じて重要であり、その機能が失われると、紡錘体極が崩壊したり反転したりして、中心体が細胞の中心に集まり、周囲に凝縮した染色体が配置されるといった異常が生じます。ただし、例外も存在し、例えば線虫Caenorhabditis elegansでは、キネシン-5は絶対的に必須ではありませんが、細胞分裂の全体的な正確性には大きな影響を与えます。

神経系における役割

キネシン-5はすべての細胞で細胞分裂時に必要とされますが、分裂していない細胞の大部分では、その代謝に大きな役割を果たしているわけではないようです。しかし、非分裂細胞の中でも特に神経細胞に豊富に存在し、軸索や樹状突起に伸びる大規模な微小管束の構造やダイナミクスを調節しています。例えば、神経細胞はKIF11の機能を抑制しても生存可能ですが、神経の発生や形態形成に変化が現れます。発達中の神経細胞でKIF11の活性を薬剤やsiRNAによって阻害すると、軸索はより長く、分岐が多くなり、収縮が少なくなるほか、通常は反発する物質に対する成長円錐の反発応答が見られなくなります。移動中の神経細胞では、KIF11の阻害によって細胞の移動が不規則になり、前方に伸びる突起（先導突起）が短縮します。KIF11は、KIF15やKIF23といった他のキネシンと同様に、細胞質ダイニンと拮抗する力を発揮することで、短い微小管が軸索に沿って双方向に移動するのを抑制する役割を担っていると考えられています。成熟した神経細胞においても、KIF11は樹状突起内での短い微小管の移動を制限し、樹状突起の特有な形状形成に貢献しています。また、成体の後根神経節でも比較的低いレベルながら発現が確認されています。成体の神経細胞でも同様に短い微小管の輸送を阻害していることから、成体のKIF11をsiRNAによって抑制することは、損傷した成体軸索の再生を促進する治療法として有効である可能性が研究されています。

がん治療薬としてのKIF11阻害剤の臨床試験では、成体の末梢神経系でキネシン-5が発現していないことが注目されています。これは、タキサンやビンカアルカロイドなどの既存の微小管標的薬で一般的に問題となる異常な末梢神経障害が観察されなかった点で、新しい抗がん剤開発において重要な利点となっています。

機能調節

キネシン-5の活性は、翻訳後修飾、特にリン酸化によって調節されています。1995年に、そのC末端テールがリン酸化を受けることが明らかにされました。有糸分裂前期の初期にこのリン酸化が起こると、キネシン-5は紡錘体へと局在し、そこで微小管に結合できるようになります。2008年には別のリン酸化部位も同定されましたが、この部位がリン酸化されているのは微小管に結合したキネシン-5のうちごく一部（約3%）です。テール、ストーク、モータードメインなど、他の領域にもリン酸化やその他の翻訳後修飾部位が見つかっていますが、有糸分裂時の機能に必須であると明確に示されているものは少ないのが現状です。

また、キネシン-5は他のタンパク質との直接的な相互作用によっても調節されます。微小管結合タンパク質のTPX2は、有糸分裂中にキネシン-5と結合し、この相互作用はキネシン-5の紡錘体への適切な局在、紡錘体の安定化、そして紡錘体極の分離のために必要です。さらに、in vitroおよびin vivoの実験から、キネシン-5はダイナクチンのサブユニットであるp150Gluedや、多くの細胞周期関連タンパク質とも相互作用することが示されています。

分子機構

ATP加水分解

他の多くのモータータンパク質と同様に、キネシン-5はATP分子を水を用いてADPと無機リン酸に分解する（加水分解）ことで、化学エネルギーを微小管上での機械的な力や運動に変換します。速度論的な実験によって、この触媒過程における中間段階がどのくらいの速さで進行するかが詳細に解析されており、特にヒトのキネシン-5を用いた研究が最も進んでいます。X線結晶構造解析、クライオ電子顕微鏡解析、そしてリアルタイム赤外分光法といった手法により、様々な触媒中間段階の分子構造が明らかにされています。触媒活性部位で起こる生化学的な変化が、細胞内での運動に必要な大きな機械的動きへと変換されるためには、分子構造のダイナミックな変化（コンフォメーション変化）が不可欠です。ATP加水分解の最初のステップである水分子によるATPの末端リン酸基への攻撃は、どのキネシンタンパク質でもX線結晶構造が解析されていませんでしたが、キネシン-5で初めてその詳細が明らかになりました。結晶構造からは、1分子ではなく2分子の水分子が互いに非常に近い位置に存在していることが示されました。この2分子の水が関与する触媒モデルは、キネシン-5の触媒過程をリアルタイムで追跡する他の手法や、他のサブファミリーに属するキネシンタンパク質においても確認されています。同様のメカニズムは、他の多様なモータータンパク質でも提唱されており、構造解析による実験的証拠も得られています。

機械的性質

キネシン-5ファミリーの逆平行四量体という構成は、詳細な解析が進んでいる一般的なキネシン-1（KIF5B）などの二量体型キネシンとは根本的に異なります。従来型のキネシンは二量体として振る舞い、複合体の一方の端に位置する触媒ドメイン（頭部）を用いて、微小管上を「ハンドオーバーハンド」モデルと呼ばれる様式で移動し、積み荷の長距離かつ方向性のある輸送を促進します。一方、キネシン-5の独特な構造は、上述のような逆平行微小管のスライドといった異なる細胞機能を可能にします。この構造の違いは、二量体型キネシン向けに設計された古典的な実験手法を用いてキネシン-5の機械的特性を研究する上で困難をもたらしましたが、実験プロトコルを四量体構成に適応させたり、または一時的にキネシン-1と同様の二量体を形成するよう設計された短縮型のキネシン-5タンパク質を用いたりすることで、これらの課題は克服されています。

キネシン-5の運動性に関する研究から得られた最も顕著な結果の一つは、その移動速度が比較的遅いことです。速度はおおよそ50 nm/s程度であり、これは一般的なキネシン-1の約1/10にあたります。その一方で、キネシン-5は一分子あたり7～9 pNという大きな機械的な力を発生させることができます。これらの値は、微小管グライディングアッセイ、一分子運動アッセイ、そして光トラップアッセイという主に三種類の実験手法によって測定されています。

微小管グライディングアッセイでは、キネシン分子をガラス表面に固定し、その上を滑走する微小管の動きを観察することで、モーターの運動性を評価します。この手法によって、キネシン-5の運動性が初めて解析されました。さらに、微小管をまずガラス表面に固定し、そこにキネシン-5と遊離微小管を加えるという改変を加えることで、キネシン-5が二本の微小管の間を橋渡しし、互いに逆方向へ滑走させる様子が示されました。これは、有糸分裂中に紡錘体内で逆方向を向いた微小管をスライドさせるという、キネシン-5の主要な役割をin vitroで実証したものです。個々のキネシン-5分子の挙動を詳細に調べるために、一分子運動アッセイが用いられます。この方法では、微小管をガラス表面に固定し、蛍光色素で標識された非常に希薄なキネシン-5溶液を加えることで、個々の分子が微小管上を「歩く」様子を追跡できます。これにより、速度だけでなく、キネシン分子が微小管から解離することなく連続してステップを進める能力である「プロセシビティ」に関する情報も得られます。一分子運動アッセイで観測されたキネシン-5の速度はグライディングアッセイの値と同程度であり、モーターは比較的弱いプロセシビティを持つことが示されました。

光トラップ実験では、キネシン-5分子を微小なビーズに結合させ、そのビーズをレーザー光によって一定の位置に保持します。微小管をビーズの近くに移動させると、キネシンは微小管に結合して移動を開始し、ビーズを引き寄せようとします。しかし、ビーズは光トラップによって位置が固定されているため、バネのように働き、キネシンの移動に抵抗する力が発生します。この抵抗力の最大値を測定することで、キネシンの「ストール力」（モーターが微小管から解離する前に発揮できる最大力）を測定することができます。光トラップ実験により、キネシン-5は解離前に最大で7 pNの力を発生させることが示されました。しかし、従来型のキネシンとは異なり、解離前にキネシンの速度が顕著に低下しないといった挙動も観測されています。光トラップ実験で測定されたキネシン-5の最大力は、実際には過小評価されている可能性があり、速度論的なデータからは理論的に最大9 pNの力を発揮できることが示唆されていますが、これを検証するためにはさらなる実験が必要です。

薬理的阻害剤と医学的意義

KIF11は、がん治療における化学療法薬の標的として開発が進められています。ヒトのキネシン-5のみを特異的に阻害する薬剤は、タキサンやビンカアルカロイドといった既存の微小管標的薬に代わる、あるいは併用される可能性を秘めています。キネシン-5の機能を阻害すると、細胞は有糸分裂を完了できずに停止し、通常はアストラル微小管が一つしかない異常な紡錘体が形成され、最終的に細胞死（アポトーシス）が誘導されます。最初に発見されたKIF11阻害剤であるモナストロールは、細胞膜透過性の化合物をスクリーニングすることによって見出されました。それ以降、ヒトのキネシン-5に対して様々な効力を持つ100種類以上のアロステリック阻害剤が同定されています。よく知られているKIF11阻害剤には、モナストロール、S-トリチル-L-システイン（STLC）、HR22C16、CK0106023などがあります。

ヒトキネシン-5阻害剤の多くは高い選択性を持ち、モータードメイン表面にある特定の領域、「ホットスポット」に結合します。このホットスポットは、α2、α3ヘリックスの一部と、特に多様性の高い柔軟なL5ループの残基によって構成されています。ヒトキネシン-5のL5ループは、阻害剤が結合するとその周囲に閉じ込み、阻害剤が存在しないときには開いた構造をとることが知られています。このような構造変化は、触媒活性部位の他の変化と連動しています。また、キネシン-5のモータードメインには、L5ポケット以外の阻害剤結合部位も同定されています。L5ポケットに結合する阻害剤は、触媒活性部位からのADPの放出を遅らせることで、ATP加水分解と連動した方向性のある移動を阻害します。モナストロールによってモータードメインが阻害されたキネシン-5は、これまでに知られていなかった拡散的な動きを示すことも報告されています。

ヒトキネシン-5阻害剤によって誘導される有糸分裂停止がアポトーシスを引き起こすことは、一部の腫瘍細胞株やヒト腫瘍を移植した動物モデル（異種移植モデル）で証明されています。これらの有望な前臨床研究に基づき、イスピネシブ（ispinesib、SB-715992）、SB-743921、MK-0731、フィラネシブ（ARRY-520）、リトロネシブ（litronesib、LY2523355）といった第二世代のキネシン-5阻害剤が臨床試験に入っています。これらの薬剤は初期の阻害剤よりも良好な結果を示していますが、現時点ではがん治療薬として開発が完了し、市販されているものはありません。

ヒトキネシン-5のL5ポケット（L5、α2、α3領域）の特定の残基の役割については研究が進められていますが、体系的な解析はまだ十分ではありません。このような変異導入実験は、薬剤開発においてどの残基が薬理学的に重要であるかを特定する目的で行われ、その結果、モナストロールやSTLCなどの阻害剤に対して耐性を示すKIF11遺伝子変異がいくつか発見されています。例えば、阻害剤結合ポケット内のR119A、D130A、L132A、I136A、L214A、E215Aといったアミノ酸置換はモナストロール耐性を付与し、R119A、D130A、L214A変異はSTLC耐性を付与することが分かっています。また、ショウジョウバエのキネシン-5を用いた実験からは、モータードメイン内部でのアロステリックな情報伝達経路が、阻害剤の種類によって異なる可能性が示唆されています。

変異研究のもう一つの目的は、単一のアミノ酸変化がどのように薬剤耐性を引き起こすかを理解することです。阻害剤結合ポケット内の変化は、キネシン-5のモータードメイン中央部にあるβシート構造のねじれといった構造変化と連動していることが分かっています。このことから、L5ループはヌクレオチドの結合とβシートのねじれを直接制御し、隣接する微小管結合部位に影響を与えている可能性が考えられています。

遺伝性疾患との関連

KIF11の生殖細胞系列に変異が存在すると、脈絡網膜症、リンパ浮腫、知的障害を伴う、あるいは伴わない小頭症（MCLMR症候群）の原因となります。この症候群は、様々な程度の症状を示す常染色体優性遺伝性の疾患ですが、家族歴がない孤発例として発症することもあります。主な特徴は、軽度から重度の小頭症であり、これに加えて発達の遅れ、眼の異常、リンパ浮腫（特に足の甲に見られることが多い）がしばしば伴います。87名の患者を対象とした詳細な表現型解析では、患者の91%に小頭症、72%に眼の異常、67%に知的障害、47%にリンパ浮腫が認められました。一方で、症状を示さないキャリアーは稀であり、解析対象の87名中4名（5%）に過ぎませんでした。家族歴は診断に必須の条件ではなく、解析された症例（52例）のうち31%（16例）は新規の突然変異によるものでした。遺伝性の症例では全例、孤発例でも約50%において、KIF11の生殖細胞系列変異がMCLMR症候群の原因であることが明らかになっています。

研究の現状と今後の展望

紡錘体の自己組織化過程は、微小管を構造的な要素として、KIF11のような一群のモータータンパク質が微小管を動かし、秩序立てることで行われます。このメカニズムを説明するために、様々なモデルが提唱されています。多くのモデルでは、中期紡錘体の安定した構造を、紡錘体微小管内で逆方向に作用するモーター間の力の平衡によって説明しようとしています。しかし、紡錘体の構築に必要な全ての構造的構成要素が完全に解明されているわけではなく、またキネシン-5を含むモーター群がどのように時空間的に厳密に制御されているのかも明らかになっていません。これらの未知の部分があるため、提唱されているモデルの評価は困難な状況です。近年のデータでは、昆虫細胞で観察されるような、マイナス端指向性モーターとプラス端指向性モーター間の単純な「力の平衡」によるモデルは、哺乳類細胞の紡錘体ダイナミクスにはそのまま当てはまらない可能性が報告されています。紡錘体の自己組織化過程は細胞生物学における大きな未解決問題の一つであり、この複雑な装置を構成する多様な微小管モーターや構造的構成要素の調節機構や挙動に関するさらなる詳細な解明が、より堅牢なモデルの構築に向けて求められています。

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