Vol.53 No. 11 (2008) 1327

細胞膜の形態を制御する分子群

Molecules that regulate morphology of the plasma membrane

末 次 志郎 ・高野 和儀

細 胞膜 はほ とん どの動物細 胞 において,細 胞 の最 外層 に位置 し細胞 外 と細胞 内 を仕 切 る障壁 であ る.し た が って, 細 胞膜の形 態を細胞 の形態 と考え ることがで きる.細 胞 膜 は脂 質二重 膜お よび多数の 膜蛋 白質 によ り構成 されてい る.脂 質 二重膜 の形態制 御機 構 には,脂 質 の炭化水 素鎖 の形 態 によるもの と,蛋 白質-脂質 相互 作用 に よるものが 考 え られ る.細 胞膜 の形 態を制 御す る蛋 白質の立 体構造 の解 明 によ り,蛋 白質-脂 質相 互作 用 による脂質 二重 膜の 形 態形成機 構の一 端が解 明され た. ●細胞膜 ●細胞膜変形 ●細胞骨格 ●細胞形態 は じ め に 生化 学 辞 典(第4版,東 京 化 学 同 人,2008)に よれ ば,細 胞 とは “外 界 を隔 離 す る膜 構 造 に囲 まれ 内 部 に 自 己再 生 能 を備 えた遺 伝 情 報 とそ の 発 現 機 構 を もつ 生 命 体 ”と定 義 さ れ る.細 胞 を外 界 か ら区 別 す る細 胞 膜 の構 造 は,外 界 か ら 細 胞 をみ た場 合,細 胞 の か た ち,形 態 そ の もの で あ る.細 胞 の形 態 は細 胞 の機 能 に よ って さ ま ざ ま に分 化 して い る. 実 際,神 経 細 胞 と繊 維 芽 細 胞 とで はそ の 形 態 は まっ た く異 な り,そ の 形 態 的 な違 い はそ れ ぞ れの 細 胞 の もつ 機 能 の違 い と密 接 に か か わ っ て い る もの と考 え られ る.細 胞 全 体 の 形 態 だ け で な く,細 胞 膜 には さ ま ざ まな微 細 形 態 も存 在 す る.本 稿 で は,細 胞 膜 の 形 態 を直接 に形 成 す る能 力 を もつ 蛋 白質,お よび,そ れ らの作 用 機 序 を概 観 す る.

Ⅰ

脂質二重膜の形態形成機構

1.細 胞 膜 の さ ま ざ ま な 微 細 形 態 細 胞 膜 は脂 質 二 重 膜 に よ り構 成 され てい る.脂 質 二 重 膜 は,そ れ 自体 で は水 溶 液 中 で 球 体 を とる と考 え られ る.し か し,実 際 の 細 胞 の 形 態 は さ ま ざま で あ り,細 胞 全 体 のか た ち が 球 体 で ない もの が 多 く存 在 す るだ け で な く,細 胞 表 面 に も さ ま ざ まな微 細 構 造 が 存 在 して い る(図1).こ れ ら の微 細 構 造 は,大 き く分 け て,突 起 構 造 と陥入 構 造 の2種 類 に分 類 され る1-5).突 起 構 造 の代 表 的 な例 は,繊 維 芽 細 胞 や 上 皮細 胞 な どの細 胞 移 動 先 端 や,神 経 細 胞 の 成 長 円錐 で み られ る 糸状 仮 足(フ ィ ロポ デ ィア)や 葉 状 仮 足(ラ メ リポ デ ィア)で あ る.こ れ らの 突起 構 造 は ア クチ ン重 合 を駆 動 力 と して形 成 され る もの と考 え られ て い る.細 胞 が アポ トー シ ス を起 こす ときに はブ レビ ング とい う突起 形 成 を と もな う現 象 が み られ る が,こ ち らは,細 胞 膜 や 裏 打 ち蛋 白質 の構 造 が 破綻 す る ことに よ って生 じる もの と考 え られ て い る.陥 入 構 造 と して は,エ ン ドサ イ トー シス な どの輸 送 にか か わ る も の や,コ レス テロー ル輸 送 や シグナ ル伝 達 の場 とも考 え られ る カベ オ ラ と よばれ る構 造 が代 表 的 で あ る.エ ン ドサ イ トー シス にお い て生 じた 陥 入構 造 は,切 断 され て小 胞 とな り輸 送 され る.あ る種 の細 胞 に だけみ られ る構 造 として,筋 肉細 胞 の 細 胞膜 に は筋横 行細 管(T-tubule)と よば れ る長 い 陥入 構 造 が 存在 し,こ こに はCa2+チ ャネ ル な どが 集積 してい る. 2.脂 質 二 重 膜 の 形 態 形 成 機 構 生 体 膜 は お もに リ ン脂 質 に よっ て構 成 され て い る.リ ン 脂 質 とは,リ ン酸 に よ って疎 水 性 の 炭 化 水 素 鎖 と親 水 性 部 分 が 連 結 され た構 造 を とる両 親 媒 性 の物 質 で あ る.こ の両 親 媒 性 に よって,リ ン脂 質 は水 溶 液 中 で は疎 水 性 の炭 化 水 素 鎖 部 分 が 向 き合 った か た ちで 存 在 す る.大 部 分 の リ ン脂 質 は炭 化 水 素 鎖 を2本 もつ の で,平 面 の 脂 質 二 重 膜 を形 成 Shiro Suetsugu, Kazunori Takano

東京大学分子細胞生物学研究所 細胞形態研究分野 E-mail : [email protected] Database Center for Life Science Online Service

す る.炭 化 水 素 鎖 が1本 しか な い リゾ リ ン脂 質 は,単 体 で は界 面 活 性 剤 の よ うに ミセ ル を形 成 す る が,脂 質 二 重 膜 に 少 しだ け含 まれ る場 合 に は,脂 質 二 重 膜 の 曲率 を規 定 す る こ とで そ の 形 態 を制 御 して い る 可 能 性 が あ る.リ ン脂 質 か らな る脂 質 二 重 膜 にお い て リ ン脂 質 分 子 は流 動 性 を保 持 し た ま まで あ り,側 方 拡 散 は 自由 で あ る.コ レス テ ロー ル は 親 水 性 部 分 を もた ない ため 炭 化 水 素 鎖 の密 度 を あ げる ので, コ レス テ ロー ル を含 む脂 質 二 重 膜 は流 動 性 が 低 下 す る. リ ン脂 質 に は親 水 性 部 分 に よっ て,ホ ス フ ァチ ジ ル コ リ ン,ホ ス フ ァチ ジルエ タノー ル ア ミン,ホ ス フ ァチ ジ ルセ リ ン,ホ ス フ ァチ ジル イ ノシ トー ル,ホ ス フ ァチ ジル グ リセ ロ ー ル_{,ホ ス フ ァチ ジ ン酸,ス フ ィ ンゴ ミエ リ ン,な どが あ} る.重 量 比 で も っ と も多 い の が ホ ス フ ァチ ジ ル コ リ ンとホ ス フ ァチ ジ ル エ タ ノー ル ア ミ ンで,生 体 膜 の基 本 を なす. ホ ス フ ァチ ジ ル セ リ ン は負 に荷 電 した親 水 性 部 分 を もつ. ホ ス フ ァチ ジ ル イ ノ シ トー ル の 親 水 性 部 分(イ ノ シ トー ル 環)は さまざ まに リン酸 化 修 飾 や 切 断 を うけ,細 胞 内 の シ グ ナ ル伝 達 にか か わ ってい る.細 胞 膜 の脂 質組 成 は外 膜(外 側 の 膜)と 内膜(内 側 の 膜)で 非 対 称 で あ り,外 膜 に は ホス フ ァチ ジル コ リ ンや ス フ ィ ンゴ ミエ リンが多 く,内 膜 には ホス フ ァチ ジルエ タノー ルア ミン,ホ ス フ ァチ ジル セ リ ン,ホ ス フ ァチ ジル イ ノ シ トー ルが多 く存 在 してい る.そ の ため,細 胞 膜 の 内 側 は負 電 荷 を帯 びて い る と考 え られ る.内 膜 と外 膜 との脂 質組 成 が 同 一 で あ れ ば,脂 質 二 重 膜 は平 面 を とる こ とで もっ と も安 定 とな るの で,こ の よ う な 内膜 と外 膜 に お け る脂 質組 成 の違 い は細 胞 膜 の形 態 形 成 に関 与 して い る 可 能 性 が あ る.こ の よ う な脂 質 二 重 膜 の 組 成,す な わ ち, 脂 質 代 謝 に よる細 胞 膜 の 形 態 制 御 につ い て は,ま だ ほ とん ど明 らか に な って い な い.し か しな が ら,細 胞 膜 の非 対 称 な脂 質 分 布 は細 胞 が アポ トー シス を起 こ した と きに は破 綻 す る こ とが 知 られ て い る ので,細 胞 膜 の 形 態 制 御 に一 定 の 役 割 を はた して い る もの と考 え られ る6). 現 在 の とこ ろ,細 胞 膜 の さ ま ざ ま な形 態 制 御 機 構 は,ほ とん どが 蛋 白 質一脂 質 相 互 作 用 に よ って明 らか に され てい る. 蛋 白 質 が 脂 質 二 重 膜 の 形 態 を制 御 す る 方 法 と して は,図2 に示 す よ う な もの が考 え られ てい る.ま ず,膜 貫 通 蛋 白 質 と して,細 胞 膜 に は さ ま ざ まな 受 容 体,イ オ ンチ ャ ネ ル, トラ ンスポ ー ター が存 在 して い る.こ れ らの 膜 貫 通 ドメ イ ンの か た ちが 円筒 状 で な け れ ば,必 然 的 に細 胞 膜 の形 態 に も影 響 を あ た え る もの と考 え られ る.ま た,膜 貫 通 ドメ イ ンを も た ない蛋 白質 で あ って も,疎 水 性 の ア ミノ酸 残 基 が 脂 質 二 重 膜 に挿 入 され る こ とが あ る.こ の場 合 も,脂 質二 重 膜 の 片 側 の 膜 にの み 疎 水 性 の ア ミノ酸 残 基 を含 む 蛋 白 質 の 一 部 が 挿 入 され る こ とで,細 胞 膜 の 形 態 を変 化 させ る こ とが で き る(後 述 のFNTHド メ イ ン,BARド メ イ ンの 一 部).ア ミノ酸 残 基 の脂 質 二 重膜 へ の 挿 入 が な くて も,脂 質 二 重 膜 の 形 態 制 御 は可 能 で あ る.細 胞 膜 は基 本 的 に はホ ス フ ァチ ジ ルセ リンを含 有 してい るた め負 に帯 電 して い る.し た が っ て,蛋 白 質 の 表 面 が 正 に帯 電 して い れ ば,静 電 的 な 相 互 作 用 に よっ て脂 質 二 重 膜 の形 態 を 制 御 で き る(後 述 の BARド メ イ ン,EFC/F-BARド メ イ ン,IMD/I-BARド メ イ ン).疎 水性 ア ミノ酸 残 基 の細 胞 膜 へ の挿 入 とこの静 電 的 な 相 互 作 用 と を同 時 に用 い る ドメ イ ンも存 在 す る(後 述 の BARド メ イ ンの 一 部).エ ン ドサ イ トー シス に か か わ る ク ラ ス リ ンは,AP180な どのア ダプ ター蛋 白質 やENTHド メ イ ンを もつEpsinな ど を介 して,間 接 的 に細 胞 膜 に相 互 作 用 す る こ とに よ り被 覆 小 胞 を形 成 す る.こ れ に対 して,同 じ く細 胞 膜 上 で くぼ み を形 成 す る カベ オ リン(caveolin)は, 脂 質二 重 膜 に挿 入 され る疎 水 性 ア ミノ酸 残 基 を もって い る. 細 胞 全 体 の形 態 にか か わ る細 胞 膜 の形 態(あ るい は,細 胞 形 態)は,細 胞 骨 格 に よって決 定 され てい る もの と考 え ら れ てい る.そ の 意 味 で,細 胞 骨 格 系 蛋 白 質 もま た,細 胞 膜 の形 態 を 決 定 す る蛋 白 質 に入 れ る こ とが で きる.ア クチ ン 細 胞 骨 格 は 細 胞 膜 の 裏 打 ち を な し,サ イ トカ ラ シ ンな どの 薬 剤 処 理 に よっ て ア クチ ン細 胞 骨 格 を消 失 させ る と,細 胞 は特 徴 的 な形 態 を失 う.こ の こ とか ら も,細 胞 膜 の 形 態 は 細 胞 骨 格 に よ っ て決 定 され て い る と考 え る こ とが で きる. ま た,エ ン ドサ イ トー シ ス な どの 陥 入 構 造 お よ び小 胞 の形 図1細 胞膜 のさまざまな微 細構造 細胞膜 にみられるさまざまな微細形態を模式的に示す.大 きく,突 起構造(糸 状仮足,葉 状 仮足,ブ レビング)と,陥 入構造(エン ドサイ トーシス,カ ベオ ラ,筋 横行細管)に分 けられる.筋 横行細管以外はすべての細胞で普遍的に 観察される.こ こにあげていないような微細形態もさまざまに存在すると考え られる. Database Center for Life Science Online Service

成 や,糸 状 仮 足 や 葉状 仮 足 な ど突 起 構 造 を含 む細 胞 膜 の微 細 形 態 の形 成 に,ア クチ ン細 胞 骨 格 の再 構 成 が 必 要 な こ と が示 され てい る.ア クチ ン細 胞 骨 格 が 細 胞 膜 の形 態 を 決 定 す る機 構 は,こ れ ま で は漠 然 と,ア ク チ ン細 胞 骨 格 の 変 化 に 応 じて細 胞 膜 が 受 動 的 に形 態 を変 化 させ て い る もの と考 え られ て きた.し か しな が ら,脂 質 二 重 膜 の形 態 を制 御 す る ドメイ ンを もつ 蛋 白質 が,細 胞 骨 格 を制 御 で きる こ とが 明 らか に な って きた.

Ⅱ

胞膜の形態をその立体構造によって

決定する蛋白質

1.ク ラ ス リ ン クラ ス リ ンを用 い るエ ン ドサ イ トー シス にお いて は,エ ン ドサ イ トー シス され るべ き蛋 白 質 をAP複 合 体 が 認 識 す る. AP複 合体 は ク ラス リ ン と結 合 しク ラス リ ン被 覆 小 胞 が で き る.ク ラ ス リ ンは ヘ テ ロ6量 体 で あ り,中 心 か ら3本 足 を伸 ばす よ うな基 本構 造 を もっ て い る.こ の基 本 単 位 が 集 合 し て 五 角 形 と六 角 形 か らな る ク ラス リ ン被 覆 小 胞 が 形 成 され る7).ク ラ ス リ ン被 覆 小 胞 は そ れ だ け で は 陥 入構 造 にす ぎ ず,ア クチ ン重 合 や ダ イナ ミンの 力 を使 って 細 胞 膜 か ら切 断 され る こ とで 小 胞 とな る.こ の ア クチ ン重 合 や ダイ ナ ミ ンの 動 員 に お いて,後 述 のBARド メ イ ン蛋 白 質 やEFC/F-BARド メ イ ン蛋 白 質 が 動 員 され て い る もの と考 え られ る. 2.カ ベ オ リ ン カ ベ オ ラ は 細 胞 膜 上 の 直 径 が50∼100nmの くぼ ん だ 構 造 体 で あ り,エ ン ドサ イ トー シ ス や シ グ ナ ル 伝 達 に か か わ っ て い る.カ ベ オ ラ の 脂 質 組 成 は,細 胞 膜 全 体 と は 異 な り, コ レ ス テ ロ ー ル に 富 む な ど ラ フ トと 同 様 の 特 徴 を もつ.カ ベ オ リ ン は カ ベ オ ラ を つ く る 構 造 蛋 白 質 で,細 胞 膜 に 挿 入 さ れ る 部 分 と細 胞 質 側 に 存 在 す る 領 域 を もつ.ま た,カ ベ オ リ ン は コ レ ス テ ロ ー ル と 高 い 親 和 性 を も つ.最 近,コ イ ル ド コ イ ル 蛋 白 質 で あ るPTRF-Cavinが カ ベ オ リ ン と 共 同 し て カ ベ オ ラ を つ く る こ とが 示 さ れ た8).カ ベ オ リ ン も ま た 筋 肉 に お け るT-tubuleの 形 成 に か か わ る こ と か ら,つ ぎ に 述 べ るBARド メ イ ン蛋 白 質 との 機 能 的 な 相 互 作 用 が 示 唆 さ れ る9). 3.BARド メ イ ン ス ー パ ー フ ァ ミ リ ー A.BARド メ イ ン BAR(Bin-Amphiphysin-Rvs167)ド メ イ ンはAmphiphysin な ど の 蛋 白 質 のN末 端 に 多 く 見 い だ さ れ る ドメ イ ン で あ る (図3).Amphiphysinは 骨 格 筋 に お い て,細 胞 膜 の 陥 入 に よ り形 成 さ れ るT-tubuleに 局 在 して い る.シ ョ ウ ジ ョ ウ バ エ に お け るAmphiphysin変 異 体 の 解 析 に よ り,T-tubule 図2細 胞 膜 の 形 態 決 定 機 構 脂 質 二 重 膜 の 形 態 制 御 機 構 と して 概 念 的 に 考 え られ てい る も の を示 す.脂 質 組 成 の変 更 によ る も の と蛋 白質 によ るも の に大 別 さ れ,蛋 白質 によ るも の では, 蛋 白質 の ア ミ ノ酸 残基 が細 胞 膜 に挿 入 さ れ るも の と, 蛋 白質 が足 場 とな って細 胞 膜 の 形 態 を 決 定 す る もの に大 別 で きる.イ オ ンチ ャネ ル や トラン スポ ータ ーな ど には 内 膜 と 外 膜 と で大 き さ の 違 う非 対 称 な膜 貫 通 構 造 を もつ も の が あ り,こ れ らは細 胞 膜 の形 態 を制 御 し うる.EpsinのENTHド メ イン は αヘ リ ックスの 細 胞 膜 片 面 へ の 挿 入 に よ って 細 胞 膜 を 変 形 す る. Amphiphysinお よ びEndophilinのN-BARド メ イ ン に よる 細 胞 膜 の形 態 制 御 は,基 本 的 に は足 場 形 成 に よ って い る が,同 時 に,α ヘ リ ック ス の細 胞 膜 片 面 へ の 挿 入 も用 い て いる.EFC/F-BARド メイ ンに よる 細胞 膜 の形 態 制 御 は足 場 形 成 に よ って い る.ク ラス リ ンはEpsinやAP複 合 体 を介 して細 胞 膜 に結 合 する ので,間 接 的 な足 場 形 成 に はた らいて い る とい える. また,BARド メイ ンやEFCド メ イ ンはSH3ド メ イ ン を と もな って お り,ア クチ ン細 胞 骨 格 な ど を 同 時 に 制御 す る こと がで きる.し た が って,こ れ らの メカ ニ ズ ムは さ まざ ま に組 み合 わせ て用 い られて い る. [文献4よ り改 変] Database Center for Life Science Online Service

の 陥 入 が 正 常 に 起 こ ら な い た め に そ の ネ ッ トワ ー ク 構 造 が 破 綻 し,T-tubuleと 筋 小 胞 体 の 連 携 に よ る 筋 収 縮 に 異 常 を き た す こ とが 明 らか に され た10). Amphiphysinは,N末 端 にBARド メ イ ン,C末 端 に SH3ド メ イ ン を もつ ア ダ プ タ ー 蛋 白 質 で あ る(図3).BAR ドメ イ ン は 脂 質 結 合 ド メ イ ンで あ り,SH3は 蛋 白 質-蛋 白 質 相 互 作 用 を 担 う ドメ イ ン で あ る.興 味 深 い こ と に,BARド メ イ ン はin vitroで 人 工 脂 質 二 重 膜 を 変 形 し管 状 構 造 を つ くる こ とが で き る(図4).つ ま り,カ ベ オ ラ に よ る 細 胞 膜 陥 入 の 誘 導 とAmphiphysinのBARド メ イ ン に よ る細 胞 膜 の 管 状 構 造 化 がT-tubuleの 形 成 に か か わ っ て い る と 示 唆 さ れ る11). 2004年,McMahonら の グ ル ー プ に よ っ て,BARド メ イ ンの 立 体 構 造 が 明 らか に さ れ た.興 味 深 い こ と に,こ の BARド メ イ ン はバ ナ ナ型 の 構 造 を と る2量 体 で あ っ た12) (図5).変 異 体 の 解 析 の結 果,バ ナ ナ 型 の カー ブ の 内側 の 正 電荷 と細 胞 膜 の負 電荷 が相 互作 用 し,細 胞 膜 を変 形 して 管状 構 造 をつ くる もの と推 察 され た.バ ナナ型 のBARド メ イ ンの 内 側 に脂 質 二 重膜 が結 合 す る こ とか ら,BARド メ イ ンが細 胞 膜 に巻 きつ くこ とで管 状 構 造 を形 成 す るの で はな い か と考 え られ てい る.興 味 深 い こ とに,立 体 構 造 か ら予 想 され るバ ナ ナ 型 の カー ブの 内 側 の半 径 と,in vitroで み られ る管 状 構 造 の半 径 は,だ い た い相 関 して い る と考 え ら れ て い る. 立 体 構 造 か ら,バ ナ ナ 型 の カ ー ブ の 内 側 に くる 正 電 荷 を も っ た ア ミ ノ酸 残 基 は細 胞 膜 の変 形 に 重 要 で あ る こ と 図3BARド メ イ ン ス ー パ ー フ ァ ミ リ ー 蛋 白 質 お よ びENTHド メ イ ン 蛋 白 質 の ドメ イ ン 構 造

Ank:Ankyrinリ ピー ト,Tyr-kinase:チ ロ シ ンキ ナー ゼ ドメイ ン,CC:コ イ ル ドコイ ル,I/LWEQ:ア ク チ ン繊 維 結 合 ドメイ ン. [文献15,22よ り改 変] Database Center for Life Science Online Service

が 明 ら か と な っ た.し か し な が ら,N末 端 側 の 疎 水 性 ア ミ ノ酸 残 基 を 含 む 部 分 も細 胞 膜 の 変 形 に か か わ っ て い る. AmphiphysinのBARド メ イ ンで はN末 端 の 構 造 が 決 定 で き な か っ た.こ の 部 分 は,脂 質 二 重 膜 の 片 方 の 膜 に の み 挿 入 され る こ と に よ っ て ヘ リ ッ ク ス 構 造 を と り,こ れ に よ っ て 脂 質 二 重 膜 の 変 形 を助 け て い る もの と 考 え られ る.同 様 の 機 構 は,EndophilinのBARド メ イ ン で も み られ る13,14).こ の よ う に,N末 端 側 に 疎 水 性 ア ミ ノ酸 残 基 を も ちN末 端 に 位 置 す るBARド メ イ ン を,と く にN-BARド メ イ ン と い う. 筋 肉 以 外 の 細 胞 に お い て は,Amphiphysinは エ ン ドサ イ トー シ ス に か か わ っ て い る と い わ れ て い る.哺 乳 動 物 の 細 胞 や 酵 母 を 用 い た 解 析 か ら,AmphiphysinのSH3ド メ イ ン は 多 数 の 蛋 白 質 と結 合 す る こ と が 明 ら か と な っ て い る. そ の な か で,量 的 に 多 く 含 ま れ る 蛋 白 質 は ダ イ ナ ミ ン (dynamin)とN-WASPで あ る.ダ イ ナ ミ ン はGTP依 存 的 に 細 胞 膜 を 切 断 す る 酵 素 で あ る.N-WASPは ア ク チ ン重 合 を誘 導 す る 蛋 白 質 で あ る.つ ま り,Amphiphysinに よ っ て 特 定 の 曲 率 を も つ よ う に な っ た 細 胞 膜 に,こ れ ら ダ イ ナ ミ ンやN-WASPが よ び 寄 せ ら れ,ダ イ ナ ミ ンが 活 性 化 し た り ア ク チ ン重 合 が 誘 導 さ れ た りす る こ とが,エ ン ドサ イ トー シ ス に お け る 小 胞 の 切 断,あ る い は,そ の の ち の 小 胞 輸 送 に 必 要 で あ る も の と 考 え ら れ て い る. BARド メ イ ン はAmphiphysinやEndophilin以 外 に も さ ま ざ ま な 蛋 白 質 に 見 い だ さ れ る12,15)(図3).し か し な が ら, こ れ ら の 蛋 白 質 の もつBARド メ イ ン の 細 胞 膜 変 形 活 性 や 細 胞 膜 結 合 活 性 と 蛋 白 質 の 活 性 調 節 との 関 連 に つ い て は,ほ と ん ど 明 ら か で は な い. B.EFC/F-BARド メ イ ン BARド メ イ ン に弱 い 相 同 性 を も つ ドメ イ ン と して,EFC (extended FCH)ド メ イ ン(F-BARド メ イ ン と も よ ば れ る) が 見 い だ さ れ た(図3).FCHド メ イ ン は 微 小 管 結 合 ド メ イ ン と して 見 い だ さ れ た が,蛋 白 質 フ ァ ミ リー 間 の 保 存 領 域 に はFCHド メ イ ンの 直 後 に 見 い だ さ れ る コ イ ル ドコ イ ル 領 域 が 含 ま れ る こ と が わ か っ た.こ のFCHド メ イ ン+コ イ ル ド コ イ ル 領 域 は,BARド メ イ ン と 同 じ く,細 胞 膜 変 形 活 性(管 状 構 造 形 成 活 性)お よ び 細 胞 膜 結 合 活 性 を も っ て

図4BARド メ イ ン,EFCド メ イ ン,IMDド メ イ ン に よ る 脂 質 二 重 膜 の 形 態 変 化

(a)培 養 細 胞(COS-7細 胞)に 発 現 さ せ たFBP17のEFC/F-BARド メ イ ンを 可 視 化 した.細 胞 の 内側 にむ か って 管 状 構 造 が形 成 さ れ て いる. (b)COS-7細 胞 に発 現 させ たIRSp53のIMDド メ イ ンを可 視 化 した.細 胞 の 外側 にむ か って 突 起 構 造 が形 成 さ れ てい る.

(c)in vitroに おけ る リポ ソ ーム(人 工 脂 質 二 重 膜)の 電 子 顕微 鏡 画 像(ネ ガテ ィブ 染 色).

(d)リ ボ ソーム にEFC/F-BARド メ イ ンを もつFBP17の 精製 蛋 白質 を くわ えた 電子 顕 微 鏡 画 像(ネ ガテ ィブ 染 色).培 養 細 胞 の場 合 と異 な り蛋 白 質 は脂 質 二 重 膜 の 外 側 に存 在 す る ので,管 状 構 造 を形 成 す る.

(e)BARド メイ ン をも つAmphiphysinの 精 製 蛋 白質 を く わえ た電 子 顕 微 鏡 画 像(ネ ガテ ィ ブ染 色).(d)と 同 じく,管 状 構 造 を形 成 す る.EFC/F-BARド メ イ ンと BARド メ イ ンに よ り誘 導 され る管 状 構 造 の 大 き さ は,そ の立 体 構 造 に対 応 して い る. (f)IMDド メイ ン をも つIRSp53の 精 製 蛋 白 質 を くわ えた 電 子 顕 微 鏡 画 像(ネ ガテ ィ ブ染 色).陥 入 構 造 を形 成 す る. (g)IMDド メ イン をもつMIMの 精 製蛋 白 質 を くわえ た電 子 顕 微鏡 画 像(超 薄 切 片).[文 献24よ り許可 を得 て 転載] Database Center for Life Science Online Service

い た(図4).し た が っ て,こ の 領 域 全 体 でEFC/F-BARド メ イ ン と名 づ け ら れ た.し か し な が ら,細 胞 膜 変 形 の 結 果 と し て 生 じ る 管 状 構 造 の 半 径 はBARド メ イ ン と は 異 な っ て い て(図4),BARド メ イ ン とEFC/F-BARド メ イ ン は そ れ ぞ れ 異 な る 細 胞 膜 形 態 に 準 拠 して 機 能 し て い る も の と 考 え ら れ る16,17).蛋 白 質 の 局 在 は,in vitroで は リ ボ ソ ー ム (人 工 脂 質 二 重 膜)の 外 側 で あ る の に 対 し,細 胞 に お い て は 細 胞 内(リ ボ ソ ー ム の 内 側)で あ る の で,EFC/F-BARド メ イ ンの 過 剰 発 現 細 胞 で は 管 状 構 造 形 成 が み られ る. 2007年,EFC/F-BARド メ イ ンの 立 体 構 造 が 明 らか に な っ た18)(図5).EFC/F-BARド メ イ ン もBARド メ イ ン と 同 様 な αヘ リ ッ ク ス か ら な る2量 体 で,や は りバ ナ ナ 型 の 構 造 を と っ て お り,し か も,バ ナ ナ の 内 側 の 凹 面 は 負 に 帯 電 し て い た.し た が っ て,変 異 導 入 実 験 の 結 果 を も 考 え あ わ せ る と,EFC/F-BARド メ イ ン は 立 体 構 造 上 の 凹 面 で 細 胞 膜 に結 合 す る と考 え られ る.EFC/F-BARド メ イ ンはN-BAR ドメ イ ンでみ られ る よ うな疎 水 性 ア ミノ酸 残 基 の細 胞 膜 へ の 挿 入 で は な く,静 電 的 相 互 作 用 に よ って の み細 胞 膜 の変 形 を誘 導 す る よ うで あ る. EFC/F-BARド メイ ンは結 晶 中で 鎖 を形 成 して い た.し か も,鎖 の 部 分 の 結 合 を担 うア ミノ酸 残 基 に変 異 を導 入 す る と細 胞 膜 変形 能 が消 失 す る こ とか ら,EFC/F-BARド メ イ ンは ポ リマ ー を形 成 し,こ の ポ リマ ーが 細 胞 膜 を と りか こむ よ うに して細 胞 膜 変 形 を誘 導 す るモ デ ルが 示 唆 され た. この モ デ ル は,最 近 に な り発 表 され た,細 胞 膜 に結 合 した 状 態 のEFC/F-BARド メ イ ンの立 体 構 造 か らも支持 され る. 細 胞 膜 変 形 に際 して最 初 に平 面 状 の細 胞 膜 にEFC/F-BAR ドメ イ ンが 結 合 す る と き,立 体 構 造 上 の 凹 面 で はな く側 面 が 結 合 し,細 胞 膜 上 で ポ リマ ー 形 成 を行 なっ た の ち,細 胞 膜 が 変 形 され る もの と考 え られ てい る18,19).興 味 深 い こ と 図5BARド メ イ ン,EFCド メ イ ン,IMDド メ イ ンの 立 体 構 造

(a)細 胞膜の曲率を検知あるいは生成すると考え られている ドメインの立体構造.点 線で示 した脂質二重膜 が,青 色で示 した正電荷をもったアミノ酸残基依 存的 に結合する.こ れらの蛋白質 ドメインは細胞質に存在 し,脂 質二重膜 に相互作用するものと考えられる. (b)脂 質二重膜と相互作用する面の曲率を考えると,黄 緑色 で示 した凹面の脂質結合面をもつ ドメインは管状構造上 の脂質二重膜の外側 に結合 し,赤 色で示 した 凸状の細胞膜結合面 をもつ ドメインは管状構造上の細胞膜の内側に結合すると考え られる. (c)凹 面による細胞膜との相互作用はエン ドサイ トーシスなどでみ られる細胞膜の陥入構造に対応 し,凸 面による相互作用は細胞膜の突起構造に対 応すると考え られる. [文献22よ り改変] Database Center for Life Science Online Service

に,EFC/F-BARド メ イ ンあ る い はBARド メ イ ン を もつ 蛋 白 質 の う ち,FBP17,Toca-1,CIP4やPacsin/Syndapin な ど,多 数 の 蛋 白 質 がSH3ド メ イ ン を も ち,し た が っ て, Amphiphysinと 同 じ よ うな ドメ イ ン構 造 を も っ て い る(図3). こ れ ら のSH3ド メ イ ン も ま た,AmphiphysinのSH3ド メ イ ン と お な じ よ う に,ダ イ ナ ミ ン とN-WASPに 結 合 す る. EFC/F-BARド メ イ ン を も つ 蛋 白 質 の う ち,FBP17や CIP4は エ ン ドサ イ トー シ ス に か か わ っ て い る16,17).結 合 す る 細 胞 膜 の 曲 率 の 違 い か ら,Toca-1やFBP17な どEFC/F-BARド メ イ ン蛋 白 質 は エ ン ドサ イ トー シ ス の 初 期,BARド メ イ ン蛋 白 質 で あ るAmphiphysinな ど は エ ン ドサ イ トー シ ス 後 期 の 小 胞 切 断 の あ た りで,細 胞 膜 変 形 に か か わ っ て い る と考 え る の が 自 然 で あ る が,ま だ そ の 証 明 は な さ れ て い な い18). EFC/F-BARド メ イ ン も ま た 多 く の 蛋 白 質 に 見 い だ さ れ る.し か し,細 胞 膜 変 形 の 程 度 は,FBP17やToca-1で は 強 い が,Syndapin/PacsinやFes,Ferな ど で は 弱 い こ と が 報 告 さ れ て い る.興 味 深 い こ と に,FBP17やToca-1は エ ン ドサ イ トー シ ス に か か わ る と い う 報 告 の み が あ る が, Syndapinは エ ン ドサ イ トー シ ス に か か わ る と い う 報 告 と細 胞 の 突 起 形 成 に か か わ る と い う報 告 が あ る.FesやFerは, Srcフ ァ ミ リ ー チ ロ シ ン キ ナ ー ゼ と 相 同 の キ ナ ー ゼ ドメ イ ン を もつ 点 で 興 味 深 い.ま た,低 分 子 量G蛋 白 質 の 活 性 化 に か か わ るGEFド メ イ ンや 不 活 性 化 に か か わ るGAPド メ イ ン を も つ 蛋 白 質 も存 在 し て い る15-17)(図3). C.IMDド メ イ ン IMD(IRSp53-Mim-homology domain)ド メ イ ン は, IRSp53やMIMな どの 蛋 白 質 のN末 端 に 見 い だ さ れ る ド メ イ ン で あ る(図3).IRSp53はC末 端 にSH3ド メ イ ン を も ち,MIMの 場 合 はC末 端 に 単 量 体 ア ク チ ン に 結 合 す る WH2ド メ イ ン を も つ(図3).IRSp53な ど のSH3ド メ イ ン を もつ 蛋 白 質 の な か に も,WH2ド メ イ ン 様 の モ チ ー フ を も つ も の が あ る20-22)(図3).

IMDド メ イ ン は,BARド メ イ ン やEFC/F-BARド メ イ ン と 同 じ く,α ヘ リ ッ ク ス で 構 成 さ れ る2量 体 を 形 成 す る が, か た ち は バ ナ ナ 型 で な く ほ と ん ど 直 線 状 で あ る こ と が 非 常 に 興 味 深 い23,24)(図5).IMDド メ イ ン も ま た 細 胞 膜 に 結 合 す る24,25).細 胞 膜 結 合 ア ミ ノ 酸 残 基 の 詳 細 な マ ッ ピ ン グ か ら,IMDド メ イ ン も塩 基 性 ア ミ ノ 酸 残 基 を 介 し て 細 胞 膜 に 結 合 す る こ と が 明 らか と な っ た24,26).塩 基 性 ア ミ ノ 酸 残 基 の 配 置 か ら,IMDド メ イ ン は ゆ る や か な 凸 型 の 細 胞 膜 結 合 面 を 立 体 構 造 表 面 に お く こ と が で き る.こ の 凸 型 の 面 を 介 し て 細 胞 膜 に 結 合 す る こ と で,BARド メ イ ン やEFC/F-BARド メ イ ン の よ う な 細 胞 に お け る 陥 入 構 造,in vitroに お け る 管 状 構 造 で は な く,細 胞 に お け る 突 起 構 造,in vitro に お け る 陥 入 構 造 を 形 成 す る(図4).凹 面 で な く 凸 面 に 結 合 す る こ と か ら,IMDド メ イ ン はI-BAR(inverse BAR)

ドメ イ ン と も よ ば れ る.す な わ ち,蛋 白 質 の 脂 質 結 合 面 が 凸 型 か 凹 型 に よ っ て 細 胞 膜 の 変 形 の 向 きが 決 定 さ れ て い る もの と考 え られ る.IRSp53お よ びMIMのIMDド メ イ ン と も,低 分 子 量G蛋 白 質 で あ るRacに 結 合 す る.興 味 深 い こ と に,IRSp53のIMDド メ イ ンは 活 性 化 型Racに 結 合 し20), MIMのIMDド メ イ ン は 不 活 性 化 型Racに 結 合 す る27). IRSp53のSH3ド メ イ ン は,葉 状 仮 足 に お い て ア ク チ ン重 合 を 担 う蛋 白 質 で あ るWAVE2の ほ か,同 じ く葉 状 仮 足 形 成 に か か わ るMENAな ど に 結 合 す る こ と が 知 ら れ て い る. IRSp53とWAVE2の 結 合 は 葉 状 仮 足 の 効 率 の よ い 形 成 に 必 要 で あ る25).MIMのWH2ド メ イ ン は 単 量 体 ア クチ ンに 結 合 す る が,そ の 意 義 は 明 ら か で は な い24). 4.ENTHド メ イ ン

ENTH(Epsin N-terminal homology)ド メ イ ン はEpsin のN末 端 側 に保 存 さ れ た ドメ イ ンで あ る(図3).安 定 し た 構 造 を と るPIP2結 合 領 域 と,水 溶 液 中 で は 安 定 し た構 造 を と ら な いN末 端 側 の 部 分 か ら な る.N末 端 側 の 部 分 は 細 胞 膜 と 会 合 す る と 両 親 媒 性 の αヘ リ ッ ク ス 構 造 を と る と考 え ら れ て い る(図6).つ ま り,α ヘ リ ッ ク ス が 脂 質 二 重 膜 の 片 側 に の み 挿 入 さ れ る こ と に よ っ て 細 胞 膜 の 変 形 を 誘 導 す る もの と考 え られ て い る.こ の 機 構 はN-BARド メ イ ン と共 通 で あ る と 考 え ら れ,こ の α ヘ リ ッ ク ス はhelix 0と よ ば れ る.Epsinに お い て,ENTHド メ イ ン のC末 端 側 に つ づ く 図6ENTHド メイ ン に よ る細 胞 膜 変 形 機 構 EpsinにみられるENTHド メインでは,つ ねに立体構造 を形成 している部分 が 細胞膜中のPIP2に 結合 し,ド メイン全体が細胞膜上 にくると,水 溶液中では 立体構造 をとっていないN末 端のアミノ酸残基が両親媒性の αヘ リックス構 造を形成 し,脂 質二重膜 の片側の膜に挿入されると考え られている. Database Center for Life Science Online Service

領 域 は と く に ド メ イ ン構 造 を と ら な い が,多 数 の エ ン ドサ イ トー シ ス に か か わ るAP複 合 体 と の 結 合 モ チ ー フ,ク ラ ス リ ン 結 合 モ チ ー フ,チ ロ シ ン キ ナ ー ゼ 型 受 容 体 の エ ン ドサ イ トー シ ス に か か わ るEps15な ど に含 まれ るEHド メ イ ン に 結 合 す る モ チ ー フ が あ り(図3),ク ラ ス リ ン 経 路 の エ ン ド サ イ トー シ ス に お い て 陥 入 した 細 胞 膜 構 造 の 形 成 に 関 与 し て い る も の と考 え られ る28,29). ENTHド メ イ ン と1次 構 造 が 類 似 し た ド メ イ ン と し て ANTH(AP180 N-terminal homology)ド メ イ ンが 存 在 す る が(図3),こ のANTHド メ イ ンは 細 胞 膜 表 面 と結 合 す る だ け で,疎 水 性 ア ミ ノ 酸 残 基 の 挿 入 や 両 親 媒 性 αヘ リ ッ ク ス の 形 成 は 起 こ さ な い もの と 考 え ら れ て い る30).

Ⅲ

ヌクレオチ ドの加水分解 をともなって

細胞膜 の形態を決定する蛋白質

細 胞 膜 の形 態 をそ の立 体構 造 に よって 決 定 す る蛋 白質 は, これ まで考 え られ て い た,ア クチ ン重 合 を制 御 す る蛋 白質 や ダ イナ ミ ンの よ う な,ヌ ク レオ チ ドの加 水 分 解 を と も な って細 胞 膜 に 対 して 力 を発 生 す る蛋 白質 と密 接 にか か わ り あ っ て機 能 して い る もの と考 え られ る.具 体 的 に は,BAR ドメ イ ン,EFC/F-BARド メ イ ン,IMDド メ イ ンの 後 方 に 存 在 す るSH3ド メ イ ンが,ダ イナ ミンや ア クチ ン重 合 の 制 御 蛋 白質 で あ るN-WASPやWAVE2と 直 接 結 合 す る こ と に よっ て,細 胞 膜 の微 細 形 態 とア クチ ン細 胞 骨 格 や ダ イナ ミ ンの活 性 に 機 能 相 関が あ た え られ て い る もの と考 え られ る3,22). 1.細 胞 骨 格 と そ れ を 制 御 す る 蛋 白 質 単 量 体 ア クチ ン(Gア クチ ン)は 重 合 して ア クチ ン繊 維(F ア クチ ン)を 形 成 す る.重 合 はATP結 合 型 の単 量 体 ア クチ ンの み で み られ,重 合 した の ち あ る程 度 の 時 間 をお い て ATPは 加 水 分 解 され てADP結 合 型 ア クチ ンにな る1,2).し たが って,ア クチ ン繊 維 はATP結 合 型 ア クチ ンに よ り構 成 され る部 分 とADP結 合 型 ア クチ ンに よ り構 成 され る部 分 と に 分 か れ る.つ ま り,ATP結 合 型 ア クチ ンとADP結 合 型 ア クチ ンとの 時 間差 に よ りア クチ ン繊 維 の寿 命 が 制 御 され て い る もの と 考 え られ る.N-WASPやWAVE2は, Arp2/3複 合 体 を活 性 化 す る ことに よ りア クチ ン重 合 を誘 導 す る こ と で ア ク チ ン細 胞 骨 格 を形 成 す る.し た が っ て, BARド メ イ ン,EFC/F-BARド メ イ ン,IMDド メ イ ン を

もつ蛋 白質 がSH3ド メ イ ンを もち,そ のSH3ド メイ ンがN-WASPやWAVE2に 結 合 す る こ とは,BARド メ イ ン, EFC/F-BARド メ イ ン,IMDド メイ ンが 結 合 す る特 定 の形 態 を も った 細 胞 膜 に依 存 して ア クチ ン重 合 が 誘 導 され て い る可 能性 を示 唆 す る3,15,22). 葉 状 仮 足 な どの突 起 構 造 に お い て は,ア クチ ン繊 維 の 伸 長 す る方 向 は突 起 構 造 の伸 長 す る方 向 と同 じで あ る(図7). 葉 状 仮 足 に お け る ア ク チ ン重 合 はWAVE2が 活 性 化 す る Arp2/3複 合 体 に よっ て担 わ れ て い る.突 起 形 成 にお い て は,ア クチ ン重 合 が 生 じ伸 び て い くア クチ ン繊 維 に した が って 細 胞 膜 が 変 形 して い く と考 え られ て い た.IRSp53や MIMは,こ の よ うな突 起 構 造 形 成 に おい て,細 胞 膜 の微細 形 態 に依 存 して 細 胞 膜 に結 合 し,ア クチ ン重 合 な どの起 こ るべ き場 所 を決 定 して い る可 能 性 が あ る3). エ ン ドサ イ トー シス にお い て,ア クチ ン重 合 は 同 じ くN-WASPがArp2/3複 合 体 を活性 化 す る こ とで 生 じ,ア クチ ン重 合 はエ ン ドサ イ トー シ ス小 胞 の細 胞 膜 か らの切 断 お よ び 移 動 に関 与 して い る もの と考 え られ て い る.し か しな が ら,ア クチ ン重 合 の 方 向性 につ いて の 定 ま った 見 解 は まだ 得 られ て い な い(図7).赤 痢 菌 や リス テ リア 菌 な どの病 原 体 や あ る種 の 小 胞 が 細 胞 内 を ア クチ ン重 合 に よっ て移 動 す る現 象 は,ア クチ ンコ メ ッ ト形 成 と して 知 られ て い る.こ の と き,ア クチ ン重 合 の 方 向 と病 原 体 や 小 胞 の 移 動 す る方 向 とは 一 致 して い る.こ の場 合,ア クチ ン重 合 は小 胞 と細 胞 膜 とのあ いだ に ア クチ ン繊 維 を伸 ばす ことに よっ て,小 胞 を細 胞 膜 か ら引 きはが す と考 え られ る.逆 に,ア クチ ン繊 維 が 細 胞 膜 の方 向 に むか って 伸 び る こ とで も小 胞 の切 断 は 可 能 で あ る.こ の 場 合 は,必 ず し も小 胞 と細 胞 膜 のあ い だ を引 きは が す よう な繊 維 が 形 成 され る必 要 は な く,小 胞 の つ け根 の 部分 に ひね る よ うな力 が くわ わ る よ うに ア クチ ン繊 維 が伸 び てい るのか も しれ ない3,31). い ず れ に して も,同 じArp2/3複 合 体 を用 い る ア クチ ン 重 合 が 観 察 され る に もか か わ らず,葉 状 仮 足 な どで は 突起 構 造 が み られ るの に 対 して,エ ン ドサ イ トー シス で は 陥 入 構 造 また は 小 胞 の 切 断 が 生 じる.こ の よ う に,ま った く逆 の 方 向 に む か った 力 の発 生 が,BARド メ イ ンお よびEFC/ F-BARド メイ ンと,IMDド メ イ ン とで の異 なる細 胞 膜 結 合 様 式(凹 面 と凸 面)に よって 担 わ れ て い る と考 え るの は,非 常 に 魅 力 的 な仮 説 で あ ろ う. 2.ダ イ ナ ミ ン ダ イナ ミンは,哺 乳 類 にお いて ダ イナ ミン Ⅰ,ダ イナ ミ ン Ⅱ,ダ イナ ミ ンⅢの3種 類 の ア イ ソフ ォーム が知 られて お Database Center for Life Science Online Service

り,in vitroに お い て リ ボ ソ ー ム を 管 状 に 変 形 させ る.ま た,GTPの 存 在 下 で は,ダ イ ナ ミ ン の つ くる 管 状 化 リ ポ ソ ー ム は ダ イ ナ ミ ンの 巻 きつ き が バ ネ の よ う に 伸 び る こ と で さ ら に 細 く な る こ とが,電 子 顕 微 鏡 に よ る 観 察 か ら明 らか に さ れ た.さ ら に,GTPの 存 在 下 に お い て は 多 数 の 小 さ い リ ボ ソ ー ム が 形 成 さ れ る こ と か ら,ダ イ ナ ミ ン は 脂 質 二 重 膜 に 巻 き つ い て 細 胞 膜 の 形 態 を 変 化 さ せ る と 同 時 に,GTP依 存 性 の 構 造 変 化 を と も な っ て 細 胞 膜 を く び り切 る 作 用 が あ る もの と 解 釈 さ れ て い る.し た が っ て,ダ イ ナ ミ ンが ク ラ ス リ ン被 覆 小 胞 の 陥 入 の 際 に ク ラ ス リ ン 被 覆 の 周 囲 に 局 在 し,ら せ ん を 描 く よ う 重 合 し て 多 量 体 を 形 成 す る と,そ の GTPase活 性 に よ っ て ク ラ ス リ ン被 覆 小 胞 が く び れ て 分 裂 す る も の と考 え ら れ る32). ま た,ダ イ ナ ミ ン に は プ ロ リ ン リ ッ チ 領 域 が 存 在 し て お り,AmphiphysinやFBP17な ど のBARド メ イ ンお よ び EFC/F-BARド メ イ ン を もつ 蛋 白 質 のSH3ド メ イ ン に 直 接 に 結 合 す る16,17).さ ら に,ア ク チ ン細 胞 骨 格 の 制 御 蛋 白 質 と して 知 られ るCortactinのSH3ド メ イ ン と も 結 合 し ラ メ リ ポ デ ィ ア 形 成 に 関 与 し て い る こ と か ら,ダ イ ナ ミ ン も ア ク チ ン繊 維 の 形 成 を 制 御 して い る と考 え ら れ て い る33). ダ イ ナ ミ ン は,エ ン ドサ イ トー シ ス だ け で な く,細 胞 の 上 面 に で き るdorsal (circular) ruffle構 造 や,癌 細 胞 が 基 底 膜 に 浸 潤 す る 際 に み ら れ るinvadopodiaやposodomeに も 局 在 す る.し か し,こ の よ う な 構 造 体 に はNWASPや Cortactinも 局 在 す る が ク ラ ス リ ン は 局 在 し な い た め,ダ イ ナ ミ ンは エ ン ドサ イ トー シ ス 以 外 の 機 能 を担 っ て い る も の と 考 え ら れ る34).こ の よ う な 構 造 体 で のBARド メ イ ンお よび EFC/F-BARド メ イ ン を もつ 蛋 白 質 の 機 能 に つ い て は,解 明 の 待 た れ る と こ ろ で あ る.

Ⅳ

膜貫通蛋白質による

細胞膜形態制御の可能性

細 胞 膜 に は さ まざ まな膜 貫 通蛋 白 質が 存 在 して い る.1回 貫 通 型 の受 容 体 な どで は1分 子 で は細 胞 膜 の 形 態 に あた え る影 響 は少 な い よ うに 思 える が,多 数 の 膜 貫 通 ドメ イ ンを 図7細 胞 骨 格 再 構 成 に よ る 細 胞 膜 の 形 態 決 定 エン ドサイ トーシスのような陥入構造において,ア クチン重合 は小胞 にむかって生 じるのか(矢印A),細 胞膜にむか って生 じるのか(矢 印B),そ の方向はまだ明 らかではない.糸 状仮足や葉状仮足のような突起形成 において,ア クチン重合は細胞膜 にむかって生 じる(矢印C). Database Center for Life Science Online Service

もつ チ ャ ネル や 受 容 体 な ど には 細 胞 膜 に対 し円筒 型 で は な く円錐 型 の 形 態 を もつ もの が か な りあ る4).興 味 深 い こ と に,チ ャ ネル や 受 容 体 は1分 子 で 存 在 す る こ とは な く集 合 して存 在 す る こ とが 多 い35).細 胞 膜 の 内 膜 と外 膜 を貫 く膜 蛋 白質 が 円 錐 型 の よ うな非 対 称 の構 造 を して い れ ば,チ ャ ネ ルや 受 容 体 の集 積 は必 然 的 に細 胞 膜 に対 し曲 率 をあ た え る と考 え られ るが,そ の よ うな例 は まだ ほ とん ど知 られて い な い.

Ⅴ

脂質の代謝によって

細胞膜の 形態 を決定する蛋白質

大 部 分 の リ ン脂 質 は2本 の 炭 化 水 素 鎖 を もち脂 質 二 重 膜 を形 成 す る が,炭 化 水 素 鎖 を1本 にす る と脂 質 二 重 膜 に お け る炭 化 水 素 鎖 の しめ る体 積 が 減 少 す るた め そ の 曲率 を変 化 させ る こ とが で き る.ホ ス ホ リパ ー ゼAが この よ うな 活 性 を担 うが,こ の ホス ホ リパ ーゼAが 細 胞 膜 の形 態 制 御 に 関 与 して い るか ど うか は 明 らか で は ない36)(図8).ま た 逆 に,1本 鎖 の炭 化 水 素鎖 しか もた ない脂 質 に ア シル トラ ンス フェ ラーゼ活 性 に よって2本 鎖 の炭 化 水 素 鎖 をあ た える こ と が細 胞膜 の曲率 形 成 に かか わって いる とい われて いた(図8). 以前 は,EndophilinやCtBP/BARSに そ の よ うな活 性 が存 在 す る と考 え られ て い た が,現 在 で は,そ の活 性 は精 製 時 の夾 雑 物 に 由来 して い た こ とが わか っ た37).Endophilinは N-BARド メ イ ンに よっ て細 胞 膜 の 曲 率 を変 化 させ る. また,リ ン脂 質 の親 水 性 部 分 を切 断 す れ ば細 胞 膜 の 曲 率 を変化 させ る力 をあ た え る こ とが で きる と考 え られ る.ホ ス ホ リパ ー ゼDは ホ ス フ ァチ ジ ル コ リ ン や ホ ス フ ァ チ ジ ル エ タ ノ ー ル ア ミ ン の 親 水 性 部 分 を 切 断 す る 活 性 を もつ.こ の ホ ス ホ リパ ー ゼDはG蛋 白 質 シ グ ナ リ ン グ な ど の 下 流 で 機 能 す る こ とが 知 られ て い て,細 胞 膜 の 形 態 制 御 に も 関 与 し て い る 可 能 性 が あ る38,39)(図8). ホ ス フ ァチ ジ ル イ ノ シ トー ル は さ ま ざ ま に リ ン酸 化 さ れ ホ ス フ ァ チ ジ ル イ ノ シ トー ル リ ン酸 に な る.こ の ホ ス フ ァチ ジ ル イ ノ シ トー ル リ ン 酸 は,PIP3やPIP2に 代 表 さ れ る よ う に さ ま ざ ま な 蛋 白 質 と結 合 し,細 胞 形 態 に か か わ る 多 く の 蛋 白 質 の 活 性 を 制 御 す る40,41).し か し な が ら,イ ノ シ トー ル リ ン酸 の リ ン酸 基 は 細 胞 膜 の 表 面 に 露 出 す る た め,細 胞 膜 の 曲 率 に 変 化 を あ た え る こ と は 少 な い と 考 え ら れ る.

Ⅵ

脂質の配向を制御する蛋白質

古 くか ら,ア ポ トー シ スの 過 程 で 細 胞 膜 の内 膜 側 に存 在 す る ホ ス フ ァチ ジ ルセ リ ンが細 胞 外 に現 われ る現 象 が 知 ら れ てい る よ うに,細 胞 膜 の内 膜 と外 膜 の脂 質 組 成 は異 な る. 細 胞 質 分 裂 に お い て も,ホ ス フ ァチ ジ ルエ タ ノー ル ア ミ ン の フ リ ップ-フロ ップが 関 与 して い る こ とが 示 唆 されて い る. この よう な内 膜 と外 膜 の脂 質 組 成 を決 定 す る蛋 白 質 が細 胞 膜 の形 態 制 御 に 関与 してい る 可 能性 が あ る42). お わ り に 本 稿 で 述 べ た さ まざ ま な細 胞 膜 の 形 態 形 成 機 構 は,直 接 的 には細 胞 全 体 の か た ち を規 定 す る こ と はで きな い.し か しなが ら,糸 状 仮 足 や 葉状 仮 足 の よ うに細 胞 の移 動 先 端 や 図8脂 質 の 炭 化 水 素 鎖 脂質代謝により,脂 質二重膜の片面でのみ リン脂質 の炭化水 素鎖 の1本 あるいは親水性の頭部の部分 が 切断される,あ るいは,つ けくわわることで,脂 質 二重膜に曲率をあたえると考えられるが,こ のよう な現象がダイナミ ックな 細胞形態変化において起 こ っているかどうかは,ま だ十分 に調べられていない. Database Center for Life Science Online Service

成 長 円錐 を形 成 す る微 細 構 造 は,よ り大 きな細 胞 の もつ 構 造 であ る神 経 突 起 な ど に発 展 す る こ とが あ る.細 胞 全 体 の 形 態 形 成 に 目を むけ た場 合,こ の よ うに,細 胞 の形 態 形 成 は ま った く とい っ て よい ほ どわ か っ て い な い.近 年,幹 細 胞 か ら分 化 した細 胞 が 形 成 され る機 構 が 明 らか に な りつ つ あ る.し か し,現 在 の分 化 や発 生 の研 究 は,転 写 因 子 の研 究,遺 伝 子 発 現 の研 究 が ほ とん どで,そ の 下 流 に位 置 す る と思 わ れ る特 定 の細 胞 形 態 や,分 化 後 の機 能発 現 の 具 体 的 な機 構 の研 究 は ま だそ れ ほ ど進 ん で い な い.分 化 の 際 に誘 導 され る蛋 白質 に関 す るデ ー タの蓄 積 に よ り,特 定 の 分 化 した細 胞 で あ るた め に は,ど の よ うな細 胞 膜 と相 互作 用 す る蛋 白質 が 必 要 で あ るか,と い うこ と も徐 々 に明 らか に な って くる もの と思 われ る. 本稿 の背 景 となった筆 者 らの研 究 は,神 戸 大学 の竹 縄忠 臣博 士,辻 田 和 也博 士,理 化 学研 究 所 の横 山茂 之 博士,嶋 田 睦博 士,白 水 美香 子 博 士,岡 崎統 合 バ イオサ イエ ンスセ ン ター の永 山國 昭博 士,東 北 大学 の村 山和 隆 博 士 らとの共 同研 究 による成 果 です.こ の場 を借 りて御 礼 申 し上 げ ます. 文 献

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