分子式のセルバイオロジー。 中間フィラメント

中間フィラメントは、細胞骨格の構造的・機能的要素として重要な役割を果たしている、非常に幅広いクラスの繊維状タンパク質です。 図1に示すように、直径8～12ナノメートルの大きさの中間フィラメントは、細胞の形状や剛性を維持するために張力を支える要素として機能し、核やデスモソームなどのいくつかのオルガネラを所定の位置に固定する役割を果たしています。 また、中間フィラメントは、核内膜を覆う網目状の配列である核膜の形成にも関与しており、核の形状を支配している。

すべての真核生物には共通の細胞骨格要素であるアクチンとチューブリン（ともに細胞質内では遊離しており、ミクロフィラメントや微小管の形で重合している）が存在するが、中間フィラメントは一部の真核生物にのみ存在する。 中間フィラメントは、脊椎動物、線虫、軟体動物などの一部の後生動物にのみ見られる。 脊椎動物では、中間フィラメントの存在と構成は種に依存するだけでなく、組織の種類によっても異なる。 例えば、ほとんどの動物の上皮細胞には、50以上のメンバーからなる多様な中間フィラメントファミリーであるケラチンが存在し、間葉系細胞や筋肉細胞には、それぞれ繊維状タンパク質であるビメンチンとデスミンが豊富に存在する。 神経細胞やグリア細胞で見られる中間フィラメントには、ペリフェリン、ニューロフィラメント、グリア線維酸性タンパク質（GFAP）などがある。

もう一つの非常に特殊なクラスの中間フィラメントは核内ビタミンで、上述のように核膜の内側に並ぶ繊維状のタンパク質ネットワークを構成している。 核膜に近接していることから、核ビタミンは染色体を核膜に付着させ、核孔の固定点となる。 多くの科学者は、核内ビタミンは細胞質の中間フィラメントの進化上の祖先であり、その遺伝子産物が複製されて細胞質に移動することで進化したと考えている。 中間フィラメントネットワークが細胞に与える剛性は、外骨格を持たない軟体動物にとって特に有用である。 中間フィラメントは、生体内で高い機械的ストレスにさらされることが多い細胞に非常に多く存在することから、その主な役割は、細胞や組織に物理的強度を与えることであると考えられる。

図2は、ラットカンガルー(PtK2系統)の上皮細胞に見られるケラチン中間体ネットワークのデジタル画像で、蛍光光学顕微鏡で見たものです。 広範囲に絡み合ったネットワークを、いくつかのサイトケラチンタンパク質に対する一次抗体で標識した後、緑色の蛍光色素を含む二次抗体で染色した。 核は中間フィラメントネットワークとの位置関係を示すために、青色の色素でカウンターステインした。

図1に示すように、中間フィラメントモノマーペプチドは、中央のα-ヘリカル領域が、アミノ末端とカルボキシル酸末端の両方で球状の末端で覆われた、細長い繊維状のタンパク質である。 モノマーユニットのうち2つはコイルドコイル二量体を形成し、これが反平行に自己会合して千鳥状の四量体を形成する。この四量体は、球状アクチンモノマーやチューブリン二量体（細胞質内に遊離して存在する）の類似した可溶性サブユニットである。 テトラマーユニットは横方向に集まって、8本の平行なプロトフィラメントのシートを形成し、これがスーパーコイル状になって緊密に束ねられている。 しっかりと巻かれた中間フィラメントの断面には、32個のα-ヘリカルペプチドが見られ、これによりフィラメントは曲げやすく、しかし壊すことは非常に困難であり、極めて高い構造剛性を持つ。

中間フィラメントの遺伝子に変異があると、多くの珍しい病気を引き起こします。

中間フィラメント遺伝子の変異は、珍しい病気の原因となります。例えば、皮膚組織のケラチンが欠損すると、単純表皮水疱症と呼ばれる病気になります。 他の組織のケラチン変異による同様の水疱形成疾患は、食道、目、口などに見られる。 また、筋萎縮性側索硬化症（ALS、ルー・ゲーリッグ病）などの神経変性疾患は、中間フィラメント（ニューロフィラメント）ネットワークの異常と関連しており、デスミン中間フィラメントの欠損は筋肉障害を引き起こす。