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クラスリン

クラスリン

膜やタンパク質は、小さな小胞に入って細胞内を移動する。その際、小胞が膜から出てくるのを助けるのがタンパク質のコートであり、主な種類はクラスリンである。クラスリンは3本足のタンパク質で、輸送されるべき膜に格子状のコートを形成する。

クラスリンの発見

電子顕微鏡写真では細胞膜の陥入部や細胞質内の小胞の境界に剛毛のような被膜が格子状の多角形の配列で構成されていることが確認された。これらの観察結果から、膜小胞はバスケットの中に入っており、このバスケットが実際に膜をピットと小胞に変形させることができることが想定されたのは半世紀も前のことである。

後にその主要なタンパク質成分であるクラスリン重鎖(190kDa)が特定され、重鎖に加えて、2つのクラス(LCaとLCb、どちらも約25kDa)のクラスのクラスリン軽鎖も分離された。クラスリンは、それぞれが関連する軽鎖を持つ3本の重鎖からなる三量体の集合体であることが判明しており、クラスリンコートの集合単位となるのは、この3本足の構造、すなわちトリスケリオンであると考えられる。

クラスリン

クラスリンはどこに存在するのか

哺乳類細胞におけるクラスリンは、細胞膜、細胞質、ゴルジ装置に集積していることが示されている。

また、クラスリンは有糸分裂時に紡錘体キネトコア繊維に局在する。(A) 正常ラット腎臓(NRK)細胞の間期およびメタフェースにおけるGFP-LCaとα-チューブリンの分布。(B) 細胞を冷やしても残る安定した動原体繊維上のGFP-LCa。

クラスリンと有糸分裂

クラスリンの機能

クラスリンのコーティングを伴うエンドサイトーシスによって、ある種の細胞膜タンパク質が濃縮され、効率よく細胞内に取り込まれる。トランスフェリン受容体や低密度リポタンパク質(LDL)受容体は、このメカニズムで内在化される細胞表面タンパク質であり、これらの受容体に結合した鉄分を含むトランスフェリンタンパク質やコレステロールを含むLDL粒子を細胞内に運ぶ。ターゲットの構造体に集合したクラスリンコートは、電子顕微鏡で可視化できる特徴的なバスケット状の構造を形成している。クラスリンコートが重合することで、膜の曲率が変化し、表面の膜が変形し、小胞が形成されると考えられている。ベシクル(小胞)が細胞表面から分離すると、クラスリンコートは速やかに脱落し、次のエンドサイトーシスのために再利用される。クラスリンでコートされたピットは細胞膜の2%を覆っており、その寿命は約1分と考えられているため、平均的な細胞では毎分、細胞表面の膜の約2%が内包されていることになる。ほとんどの細胞では、クラスリンを介したエンドサイトーシスがピノサイトーシスの大部分を占めている。クラスリンが膜に集合するためには、細胞質のアダプタータンパク質のセットがあらかじめ細胞膜に結合している必要がある。

このようにしてクラスリンはエンドサイトーシスを媒介する。エンドサイトーシスは、細胞の機能にとって極めて重要である。例えば、細胞はエンドサイトーシスを利用して、細胞表面の受容体の密度を制御したり、栄養を獲得したりしている。さらに、特殊な細胞は、シナプス伝達を可能にしたり、細胞表面に抗原を提示したりするためにエンドサイトーシスを利用する。クラスリンを介したエンドサイトーシスclathrin mediated endocytosis(CME)に必須なタンパク質がクラスリンである。クラスリン以外にも、細胞内交通を媒介するCOP IやCOP IIなどのコート形成タンパク質があり、様々なカーゴの内在化を媒介するクラスリンに依存しないエンドサイトーシス経路も存在する。

クラスリンを介して膜交通の際に格子を形成するのがクラスリンの機能の一つであり、また、有糸分裂においてもクラスリンは役割を果たしている。

クラスリン介在エンドサイトーシスclathrin mediated endocytosis(CME)

エンドサイトーシスは、様々な組織における細胞膜EMや生化学的研究により、次のように進行することが明らかになっている。

  1. 1.貨物の捕獲とクラスリンの多量体化を伴うクラスリン被覆ピット(CCP)の核形成
  2. 2.膜の侵食を伴う被覆ピットの伝播
  3. 3.クラスリンケージの完成とダイナミンの作用によるクラスリン被覆小胞(CCV)の出芽または分裂
  4. 4.細胞内に入ると被覆が分解され、被覆されていない小胞が目的地まで輸送される。

クラスリンは、細胞膜からエンドサイトされた膜や、トランスゴルジネットワーク(TGN)とエンドソームの間を移動する膜のコーティングに関与している。膜をコーティングする際、クラスリンは膜に直接結合するのではなく、アダプタータンパク質adaptor proteinを介して結合する。アダプターの主なクラスは、アダプタータンパク質(AP)複合体adaptor protein complexである。APCにはAP-1とAP-2があり、それぞれ、細胞膜でのエンドサイトーシスを媒介する。そして、クラスリンが媒介するトランスゴルジネットワークTGNからエンドソームへの交通を媒介する。さらに、β-アレスリン、ARH、dab2、numbなど、他の代替アダプターもいくつかある。

アダプチンとして知られるアダプタータンパク質(AP)は、クラスリンコーティングの間に層を形成する。クラスリンでコーティングされた小胞は、3つの異なる層で構成される。様々なタンパク質を含む脂質膜、アダプタータンパク質の層、クラスリンの外側の層である。アダプター蛋白質は脂質層とクラスリン層の両方と相互作用する。

小胞を形成するコーティングされたピットは、クラスリンとアダプター・プロテイン2(AP-2)と呼ばれる大きなタンパク質複合体で形成されている。これらの小胞は、対応する受容体が結合した高分子を含んでいる。クラスリンでコーティングされた小胞が形成されると、細胞質タンパク質であるダイナミンが小胞の端を覆うように重合し、小胞を封鎖する。これにはGTPの加水分解によるエネルギーが使われる。クラスリンで覆われた小胞は、その後、初期エンドソームと融合することができる。初期エンドソームが酸性になると、分子が細胞受容体から離れ、細胞が使用できるようになる。細胞受容体はエンドソーム内に残され、細胞膜に戻されるか、後期エンドソームに移されてリソソーム分解の経路をたどることになる。

クラスリンを介したエンドサイトーシスは、最も研究されているタイプのエンドサイトーシスで、クラスリンでコーティングされた小胞の形成に関与すると考えられているタンパク質は50以上ある。

クラスリンと有糸分裂

膜輸送は、細胞分裂の間期の間にのみ起こる。細胞が有糸分裂に入ると、クラスリンを介した膜輸送は急速に停止し、テロフェイズ後期になって再開される。この観察結果は、クラスリンが、有糸分裂中に行われる膜輸送とは異なる別の機能を持っている可能性を提起するものである。

有糸分裂中にクラスリンの細胞内分布が変化することが示され、間期の間、クラスリンは、細胞膜、エンドソーム、ゴルジ装置に集積した多数のパンクタで発見される。これらのパンクタはクラスリンでコーティングされたピットや小胞に相当する。また、クラスリンの一部が発達中のマウス胚の有糸分裂紡錘体に局在している。クラスリンは有糸分裂の紡錘体の構成要素であることから、クラスリンが有糸分裂中に新たな機能を持つ可能性も示唆された。

間期では、クラスリンは細胞質中の多数のclathrin-coated structures(CCS)に分布している。プロフェーズの初期には、クラスリンは微小管核膜に侵入する際に微小管に結合する。クラスリンは、プロフェース、メタフェース、そしてアナフェースでの染色体の分離の間、紡錘体の微小管と結合している。テロフェーズでは、ゴルジ装置が再構築され始めるとクラスリンは微小管から解離する。

分裂紡錘体におけるクラスリンは、CCVの貯蔵庫ではない。クラスリンは紡錘体の微小管と密接に結合しており、膜とは結合していない。クラスリンは、染色体の動原体と紡錘体をつなぐ微小管の束である動原体繊維に見られる。前中期の間、これらの繊維は、染色体を細胞の赤道(メタフェースプレート)に移動させることを制御する。クラスリンはclathrin heavy chain(CHC)のN-末端ドメインを介して紡錘体と結合する。CHCを枯渇させると染色体のずれや動原体繊維の不安定化など多くの有糸分裂の欠陥が生じる。このような欠陥があると、紡錘体チェックポイントのシグナルが継続するため、有糸分裂が延長されてしまう。このことから、分裂期におけるクラスリンの機能は、動原体繊維を安定化させることであると考えられるようになった。

クラスリンの三量体構造は、実際に紡錘体繊維の安定化に役立つ可能性がある。それぞれの足であるN-末端ドメインが紡錘体に結合していることから、クラスリンは紡錘体繊維の安定性を高めるために、紡錘体繊維内の2つまたは3つの微小管の間の架け橋として作用する可能性が示唆されている。紡錘体繊維内の微小管間には管間ブリッジが存在することが報告されておりこのブリッジをクラスリンが形成するブリッジ仮説が支持されている。

クラスリン遺伝子

ヒトでは、クラスリン重鎖の2つのアイソフォームが存在し、CHC17とCHC22である。CHC17はどこにでもある1,675残基のタンパク質で、膜の輸送と有糸分裂に関与している。

一方、CHC22は骨格筋に発現する1,640残基のタンパク質である。CHC22が、ヒトの筋肉や脂肪細胞におけるインスリン応答性のGLUT4コンパートメントの形成に関与しており、CHC22は、2型糖尿病患者の筋肉におけるGLUT4コンパートメントの拡大と関連する。また、CLTCL1は妊娠12~13週の間に発達中のヒトの脳で発現のピークを迎え、幼少期までに低下する。CLTCL1は神経堤の形成や、痛みや触覚を感知する神経細胞の形成に不可欠な役割を果たしている。

これらのタンパク質は、17q23.2と22q11.21にある2つの遺伝子、CLTC遺伝子とCLTCL1遺伝子によってコードされており、アミノ酸レベルで85%の類似性がある。

また、ヒトには2つのクラスリン軽鎖aおよびb(LCa、218残基、LCb、211残基)が存在するが、これらははるかに分岐している(アミノ酸の同一性は60%)。LCaとLCbは、9p13.3と5q35.2にある2つの別々の遺伝子CLTAとCLTBによってコードされている。両軽鎖には神経細胞特異的なスプライシングバリアントがあり、LCaには30残基、LCbには18残基のセグメントが挿入されている。LCaとLCbはともにCHC17と結合できるが、CHC22とは結合できない。

クラスリンと疾患

クラスリンが関与する遺伝子融合は、多くのヒトので見られる。例えば、クラスリン重鎖と未分化リンパ腫キナーゼ(CHC-ALK)の融合は、非ホジキンリンパ腫(未分化大細胞リンパ腫)や炎症性筋線維芽細胞性腫瘍で報告されている。また、クラスリンと転写因子遺伝子TFE3の融合は、腎腺癌で報告されています。これらの融合タンパク質は、有糸分裂におけるクラスリンの機能低下、クラスリンによる融合パートナーの紡錘体へのターゲティング、あるいは、N末端へのCHCの付加による融合パートナーの誤制御のいずれかをもたらすと考えられる。

この記事の著者:仲田洋美医師
医籍登録番号 第371210号
日本内科学会 総合内科専門医 第7900号
日本臨床腫瘍学会 がん薬物療法専門医 第1000001号
臨床遺伝専門医制度委員会認定 臨床遺伝専門医 第755号

 

プロフィール

この記事の筆者:仲田洋美(医師)

ミネルバクリニック院長・仲田洋美は、日本内科学会内科専門医、日本臨床腫瘍学会がん薬物療法専門医 、日本人類遺伝学会臨床遺伝専門医として従事し、患者様の心に寄り添った診療を心がけています。

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