InstagramInstagram

キネトコア

キネトコア

動原体とキネトコア

キネトコアは、染色体DNA紡錘体微小管ポリマーとの相互作用を仲介する巨大なタンパク質構造体である。キネトコアのタンパク質は、100種類以上が同定されている。また、ヒストンH3の変異体であるCENP-Aを含む特殊なヌクレオソームがキネトコアの構造基盤を形成している。CENP-Aを含む特殊なヌクレオソームは、キネトコアの構造基盤を形成しており、配列に依存しないエピジェネティックなメカニズムにより、CENP-Aヌクレオソームはセントロメアに誘導される。微小管とのインターフェースつなぎ目を形成するタンパク質の組み合わせで、コア付着部位の生成、キネトコアの動きと微小管の分解との結合、キネトコアに結合した微小管の重合動態への影響、紡錘状微小管に沿った移動の促進など、異なる機能を提供する。染色体分離とキネトコアの機能の忠実性とタイミングは、分裂期チェックポイントやいくつかの分裂期キナーゼなど、複数のシグナル伝達経路によって制御されている。

細胞分裂とキネトコア

真核生物細胞分裂において、複製されたゲノムを分離するためには、キネトコアが中心染色体DNAを紡錘体微小管に結合する必要がある。キネトコアは多数の保存されたタンパク質複合体から構成されており、キネトコアの仕様と組み立てを指示し、紡錘体微小管と結合し、染色体の分離を制御している。これまでに、80以上のキネトコア構成要素が同定され、これらのタンパク質がどのようにして高次のキネトコア構造に組織化されるのか、また、どのように機能して適切な染色体分離を実現するのかが明らかになりつつある。

有糸分裂では、2つの娘細胞遺伝物質を分配することが重要である。このプロセスの中心となるのがキネトコアは、染色体DNAと紡錘体微小管ポリマーの両方に結合し、染色体の整列と分離を指示する高分子であるキネトコアの構造である。

細胞分裂においては、2つの新しい娘細胞にゲノムを物理的に分配することが重要である。染色体の分離を適切に行うためには、以下の事項が必要である。

1. DNAの各ユニットを特異的に認識・検出する
染色体を分離する装置に認識される染色体の領域が必要であるが、真核生物では、このDNA領域をセントロメアと呼ぶ。
2. DNAと他の細胞構造とを物理的に接続して分配を媒介する
細胞内の他の構造体との「つながり」を促進するために、このDNA要素上にタンパク質群が集合する必要がある。真核生物では、キネトコアと呼ばれる高分子構造体がこの物理的な接続を行う。キネトコアは、100種類以上の異なるタンパク質成分が協調して機能することを必要とする。
3. DNAを娘細胞に空間的に移動させるための力を発生させる
キネトコアは、染色体を移動させる「力」を与える他の構造体と相互作用しなければならない。真核生物の染色体分離には、微小管ポリマーが必要であり、このポリマーは主にその解重合によって力を生み出す。

セントロメアとキネトコア

染色体分離が行われるためには、まずDNAのユニットが染色体分離装置によって認識される必要がある。ほとんどの真核生物では、セントロメアは各染色体の単一の領域に限定されている。セントロメアが機能していないと、キネトコアがDNA上に集まらず、有糸分裂の際に染色体が分離されない。また、1本の染色体の遠位部に複数の動原体が形成されると、有糸分裂の際に紡錘体の力で断片化する。このように、セントロメアの位置を特定することは、細胞にとって重要な課題である。

すべての真核生物はこの認識プロセスを必要とするが、このセントロメアDNAの性質とサイズは生物によって大きく異なる。ヒトでは171bpのα-サテライトリピートが数千回から数万回繰り返されていてセントロメア部分を構成する。セントロメアに関連する特定のDNA配列が存在することが多いが、実は、ほとんどの生物ではセントロメアのDNA配列に特定の「こうでなければセントロメアではない」とか、「これがあればセントロメア」という要件はない。

脊椎動物のセントロメアが塩基配列に依存しないことを示す最も顕著な証拠は、セントロメアがα-サテライト・リピートのない染色体の領域に移動した個体(ネオセントロメアと呼ばれる)から得られている。 また、α-サテライト配列が染色体上に残っていても、もはや機能的なセントロメアとしては機能していない場合もあり、これらのDNAリピート配列はセントロメアの指定に必要でも十分でもないことがわかる。

脊椎動物のセントロメアはDNA配列に依存しないことから、エピジェネティックに定義されると考えられている。このプロセスの鍵を握るのは、ヒストンH3バリアントのCENP-Aであり、セントロメアにのみ存在する特殊なヌクレオソームを形成する。

CEMP-Aほか

セントロメアの目印:CENP-A

CENP-Aはセントロメアの目印として機能する。CENP-Aの配列内にあるCENP-Aターゲティングドメイン(CATD)と呼ばれる領域は、独特の構造的特性を持ち、このヌクレオソームが特殊な沈着因子に認識される基礎をなす。CENP-Aがセントロメアに限定されることを確実にするために、いくつかのメカニズムが連携してCENP-Aヌクレオソームの適切な沈着を確保する。脊椎動物の細胞では、CENP-Aの沈着はG1期に起こり、ヒストンH3を含むヌクレオソームが複製と連動して沈着するS期には起こらない。このような細胞周期によるCENP-Aの沈着制限は、少なくとも部分的には、サイクリン依存性キナーゼ(CDK)活性によるCENP-Aの沈着の負の制御よって生じる。

CENP-AはG1期にセントロメアに取り込まれる。Mis18α、Mis18β、M18BP1/KNL2からなるMis18複合体は、HJURPをセントロメアにリクルートする。HJURPは特殊なヒストンシャペロンで、CENP-A/ヒストンH4二量体と結合して、完全なヌクレオソームに組み立てる。CENP-Aのヌクレオソームは内側キネトコアタンパクであるCENP-Cと相互作用し、CENP-CはMis18複合体の取り込み装置のセントロメア受容体として機能する。CENP-Aの組み込みは高い忠実度で行われるが、CENP-Aがセントロメア以外のクロマチンに不適切に組み込まれた場合、これらのヌクレオソームはクロマチンから取り除かれ、分解の対象となる。こうして各染色体上にCENP-Aでマークされた単一の部位が確実に存在し、動原体構造の組み立てを指示することになる。

CENP-A以外にも、DNA結合タンパク質がセントロメアに局在している。CENP-T-W-S-X複合体は、通常のヌクレオソームとは配列の相同性がないが、これらのタンパク質はヌクレオソーム内のヒストンと構造的に類似している。これらのタンパク質が特殊なヌクレオソーム様の構造を形成し、その表面にDNAを巻き付けていることが示唆されている。CENP-T-W-S-Xの局在化はCENP-Aの下流で起こるがこれらのヌクレオソーム様粒子の局在化を制御する因子はまだ未解明である。これらのDNA結合タンパク質は、キネトコアが各染色体の1つの領域と安定した相互作用を形成し、分離装置が各染色体を「認識」できるようにしている。CENP-Tは、DNAとの結合に加えて、NDC80複合体と直接相互作用する。分裂期に入ると、核膜が破壊され、NDC80複合体が染色体にアクセスできるようになり、キネトコアに集合する。

染色体と微小管の結合を物理的に構築

染色体上でキネトコアが形成される場所が特定されると、次の重要な課題は、動的な微小管ポリマーと結合できる多タンパク質構造を構築することである。キネトコアは、脊椎動物の細胞では100種類以上のタンパク質から構成されており、それぞれのタンパク質はキネトコアごとに複数のコピーで存在している。これらのタンパク質の相対的な空間的局在とその機能の違いに基づいて、これらのタンパク質は3つの主要なカテゴリーに分類される。

内側キネトコアタンパク質
染色体DNAとの結合を形成し、キネトコアを組み立てるためのプラットフォームとなる
外側キネトコアタンパク質
微小管との結合を形成する
制御タンパク質
キネトコアの活動を監視・制御する

DNAと微小管をつなぎ、より高次のキネトコア構造を構築するために必要な、キネトコア内の完全な分子結合を明らかにするという課題はまだ達成されていない。

紡錘体微小管とキネトコアの結合

キネトコアと微小管の結合

キネトコアタンパク質のうち、微小管と強固な相互作用を形成する上で重要かつ保存されているタンパクは、4サブユニットのNDC80複合体である。Ndc80複合体はキネトコアにおける微小管付着活動の中核を担うが、微小管相互作用を調節したり強化したりするためには別のタンパク質が必要である。微小管は静止したポリマーではなく、重合と脱重合を繰り返して長さが一定に変化する。つまりキネトコアは重合または解重合して延長または収縮する微小管ポリマーと安定して結合していなければならない。そのために働くのが脊椎動物ではSka1複合体で、解重合する微小管の末端に結合し続け、キネトコアが紡錘体微小管との適切な結合を維持すると考えられている。

染色体の移動

キネトコアと微小管の相互作用は、単純で静的な物理的結合ではない。たえずその長さを重合・解重合により変化させる微小管と結合し続けねばならない。
前半期には、キネトコアは微小管ポリマーに捕らえられ、細胞の中央にあるメタフェースプレートに並ぶように移動する。
メタフェースでは、ペアになった姉妹染色分体が、反対側の紡錘体極から微小管に付着する。
アナフェイズAでは、キネトコアが紡錘体に引き寄せられ、染色体が分離される。
染色体を移動させるためには、キネトコアが微小管ポリマーとの相互作用を利用して力を発生させる必要がある。

キネトコアが微小管ポリマーに付着する方法

キネトコアが微小管ポリマーに付着する方法は2種類ある。

微小管の側面に結合

キネトコアは、微小管ポリマーと横方向の相互作用を形成し、微小管の側面に結合する。神経細胞軸索微小管に沿った小胞輸送との類似性から、当初は、微小管ベースの分子モーターが、このような横方向の相互作用を通じて、キネトコアの「貨物」を微小管ポリマーが提供するトラックに沿って移動させると考えられていた。実際、プラス端指向のキネシン(CENP-E)や、微小管マイナス端指向のモーター細胞質ダイニンなど、複数の微小管ベースのモーターがキネトコアに局在している。CENP-Eの場合、隣接する微小管ポリマーとの横方向の相互作用を利用して、紡錘体の極近くにある染色体を紡錘体の中央に運ぶ。CENP-Eがないと、少なくとも一部の染色体は紡錘体極周辺にとどまる。ダイニンは、微小管繊維に沿った染色体の移動にも寄与し、微小管の捕捉、キネトコアのシグナル伝達、紡錘体の構成にも関与している。キネトコアに局在する微小管モーターに加えて、DNAに結合したクロモキネシンは、横方向の相互作用によって染色体を極から遠ざける力を発揮し、メタフェースプレートへの染色体の合体に貢献する

微小管とのエンドオン結合

キネトコアと微小管の横方向の相互作用では、キネトコアが最初に微小管を捕らえ、分子モータータンパクを使って微小管のポリマーに沿って移動させることができるが、キネトコアと微小管の強固な相互作用には、微小管はどんどん重合・解重合によりその長さや形を変化させるため、微小管のプラス端がキネトコアに埋め込まれるようなエンドオンアタッチメントが必要である。微小管ベースのモーターは、染色体の分離やキネトコア-微小管相互作用の制御に重要な役割を果たしているが、染色体の物理的な移動や分配には厳密には必要ではない。むしろ、キネトコアが微小管とエンドオン結合すると、微小管ポリマー自体が染色体を動かすモーターとして機能すると考えられている。対になった姉妹染色体の動原体と、反対側の紡錘体極からのびた微小管とがエンドオンで結合すると、染色体の移動はほとんど微小管の重合と解重合によって行われる。しかし、そのためには、キネトコアの微小管結合タンパク質が、この動的な微小管ポリマーに結合し続け、その脱重合によって生じる力を利用して染色体の動きを誘導しなければならない。

キネトコアと微小管のプラス端の結合

微小管の重合状態は、主に染色体の動きを左右するため、キネトコアが微小管のダイナミクスを制御することは非常に重要である。キネトコアには、微小管の重合状態に直接影響を与える複数のタンパク質が存在し、これらにより、キネトコアは、微小管から発生する力を利用して制御し、染色体の配列と分離を正確に指示することができる。

キネシン13ファミリー
Kif2c/MCAK、微小管のカタストロフィー(脱重合への切り替え)を促進。
キネシン8ファミリー
Kif18a、脱重合酵素として作用。
チューブリン重合促進因子
CLASP(Clasp1およびClasp2)やTOGドメイン含有タンパク質(ヒトではch-TOG)などの一連の重合促進因子は、チューブリン二量体を微小管プラス端に送り込んで重合を促進する。

キネトコアの調節と細胞周期

キネトコアの調節は、染色体分離の忠実性を確保すると言う意味で必須である。有糸分裂の際にわずかな欠陥があったとしても、細胞にとっては染色体の数が合わないという致命的な結果となる。したがって、キネトコアは、染色体を動かすだけでなく、このプロセスが高い忠実度で行われるように監視・修正しなければならない。
キネトコアと姉妹染色体の結合にエラーが発生した場合、問題を感知して修正するメカニズムが重要となる。そのため、キネトコアの機能は厳密に制御され、両極のキネトコアと微小管の結合が適切に形成されるように、エラーが修正されない場合にはアナフェイズへの進行を遅らせるよう仕組みが働く必要がある。

キネトコアと微小管の結合の制御

キネトコアの機能は、あらゆるエラーを修正し、細胞周期の進行に合わせてその活動を調整するために厳密に制御されている。キネトコアの機能を制御しているのは、キネトコアに作用してキネトコアと微小管の適切な結合を制御するオーロラBPlk1Mps1Bub1CDKなどの一連のプロテインキナーゼである。これらのキナーゼはそれぞれ、キネトコアに局在し、キネトコアに結合した基質をリン酸化し、キネトコアの機能を制御している。CDKによるリン酸化は、キネトコアの機能とアセンブリ状態の変化をそれぞれのキネトコアで同時に制御し、細胞周期の移行時にその機能を変化させる。

オーロラBキナーゼ

キネトコアとAuroraB

キネトコアの機能を制御するための重要な課題は、不適切な微小管の付着をなくすことである。オーロラBキナーゼは、この修正メカニズムの重要な担い手である。セントロメア内側(キネトコアの基部)に位置するオーロラBキナーゼは、外側キネトコアにある基質と空間的に分離しているが、キネトコアに双方向の張力があるとオーロラBが外側のキネトコアのタンパク質をリン酸化し、微小管と結合する能力が著しく低下する。オーロラBのリン酸化はNDC80複合体、Ska1複合体などのキネトコアと微小管の境界面の複数の構成要素の活性を直接阻害する。このオーロラBのリン酸化の複合的な効果により、キネトコアと微小管の誤った結合が解消され、キネトコアは結合していない基底状態にリセットされ、そこから新たに正しい結合が形成される。

上記のようにリン酸化は、キネトコアのアセンブリ(会合)を促進し、不適切な微小管の相互作用を防ぐ上で重要な役割を果たしている。

しかし、リン酸化は、その機能が完了した後に速やかに除去されなければならない。キネトコア標的のリン酸化を逆転させるために、いくつかのホスファターゼ(脱リン酸化酵素)が作用する。脱リン酸化酵素PP1(protein phosphatase 1)PP2A(protein phosphatase 2)はともにキネトコアに局在し、リン酸化酵素標的化因子は、これらのリン酸化酵素が適切なタイミングでキネトコア基質のリン酸化を解除できるようにする上で重要な役割を果たしている。

この記事の著者:仲田洋美医師概要

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。

仲田洋美のプロフィールはこちら

お電話での受付可能
診療時間
午前 10:00~14:00
(最終受付13:30)
午後 16:00~20:00
(最終受付19:30)
休診 火曜・水曜

休診日・不定休について

クレジットカードのご利用について

publicブログバナー
 
medicalブログバナー
 
NIPTトップページへ遷移