Cell Biology 07: Microtubules and Cell Division
これはHarvard ExtensionのCell Biologyコースのレクチャー7のノートです。
レクチャー6ではMicrotubulesを紹介しましたが、今回のレクチャーでは細胞分裂におけるMicrotubulesの役割について説明します。
細胞周期の概要
細胞周期（細胞の分裂と複製のプロセス）は、細胞周期制御システムと呼ばれる一連の生化学的なスイッチによって支配されています。
細胞周期は、「4つの段階」と言われますが、実際には5つの段階があり、また、それらの段階をまとめたり、細分化したりする別の言葉も使われています。 これらの言葉の関係を、私なりにまとめてみたのが以下の表です。 (Wikipediaより修正/拡大)。
| 最も一般的なグループ分け | 想定される「4つのフェーズ」 | サブフェーズ |
|---|---|---|
| 非-。 | ||
| interphase | Gap 1 (G1) | G1a R G1b |
| 合成（S） | ||
| ギャップ2（G2） | ||
| 分裂 | 分裂（M） | prophase prometaphase metaphase anaphase telophase cytokinesis |
各フェーズの内容は、Kelvinsong氏によるこの優れたWikimedia Commonsの画像に見事にまとめられています。
最も早く分裂したヒトの細胞は、約24時間で細胞周期を終えることができます（G1：9h、S：10h、G2：4h、M：30分）。
このプロセスのマスターコントローラーは、サイクリン依存性キナーゼ（CDK）を制御するサイクリンです。 キナーゼとは、他のタンパク質をリン酸化するタンパク質のことです。 CDKが標的をリン酸化することで、有糸分裂が進行します。
微小管の役割
微小管は、細胞構成要素を組織化したり、2つに分割したりと、細胞周期において重要な役割を果たしています。
動物では、静止期の細胞や間期の細胞でも、通常は中心体と呼ばれるMTOCが1つだけあり、細胞内のすべての微小管の中心的なハブとして機能しています。
2つの中心子は、S期には互いに切り離されて自己複製し、M期には切り離されて細胞の反対側の「極」を形成するため、現在は2つのMTOCが存在し、それぞれが最終的に新しい細胞の唯一のMTOCとなります（もう一つのボスであるKelvinsong氏の画像）：
有糸分裂の際には、細胞の2つの「極」ができ、それぞれの微小管は(-)側の端に固定され、(+)側の端が重なって細胞の中心に向かっています(Wikimedia Commons image by Lordjuppiter):
その全体を紡錘体装置と呼び、2つのMTOCの微小管が重なる部分を「相互結合部」と呼びます。
この段階の微小管は、次の3つのカテゴリーに分類されると言われています。
- アストラル微小管は、細胞皮質に向かって外向きになり、紡錘体装置全体を細胞分裂の軸に沿って固定します。
- 動原体微小管は、染色体の動原体に付着しています。
- 極微小管は、互いに平行だが反対方向に向いており、有糸分裂の際に紡錘体装置を押し広げるのに重要な役割を果たします。
図よりも写真の方がいいという方のために、紡錘体の全体像を、染色体を青、微小管を緑、キネトコアを赤の点で表してみました。しかし、微小管を安定化させるXMAP215は、分裂期にはリン酸化されて不活性化されるため、キネシン13は自由に微小管を破滅させることができます。 幸運はすぐに作られ、失われる。 分裂期の微小管の半減期は、間期の30分に比べて約15分である。 FRAP法とは、蛍光性の微小管を加えて漂白し、蛍光が再び現れるまでの時間から、再形成の速さを調べる方法です。
キネシン5は、2つの極性頭部を持ち、対向する微小管に結合して、それぞれの（＋）端に向かって歩こうとする。
セントロメアのDNAは情報エントロピーが小さく、他のクロマチンとは異なる特殊なヒストンを持っています。
セントロメアは、情報エントロピーが小さく、他のクロマチンとは異なる特殊なヒストンを持っています。 それは、セントロメアの配列が、セントロメアタンパク質との相互作用やキネトコアとの結合に適しているという、他のゲノムの多くの部分とは異なる目的を持っているからです。 コヒーシンとは、2つの姉妹染色分体を一緒にしておくタンパク質である。
前駆期になると、染色体は前後に移動します。
前駆期には、染色体は内側のキネトコアと外側のキネトコアの2層構造になっていて、キネシン13がチューブリン2量体の不足を補って、染色体をキネトコアの微小管に固定している。 染色体の移動には、モータータンパク質、微小管相互作用タンパク質、トレッドミルの組み合わせが役立つ。 一方、ダイニンとダイナクチン（（-）端に向かって歩くモータータンパク質）は、アストラル側の微小管に働きかけ、MTOCを細胞周辺に引き寄せる。
メタフェースでは、染色体は「メタフェースプレート」に沿って整列するようになるが、この過程では核膜が溶解するため、核インポートとは無関係になる。
細胞は分裂が進む前に、染色体がくっついていることを示す微小管の張力を検知する仕組みを持っています。
ところで、微小管以外の細胞骨格要素も細胞周期に重要な役割を果たしています。
モデル生物の重要性
細胞周期制御プロセスの発見には、一般的なモデル生物の優れた特徴が大きく寄与しています。
サッカロミセス・セレビシエ（出芽酵母）とシゾサッカロミセス・ポンベ（分裂酵母）は、ハプロイド（倍数体）とディプロイド（2倍体）のどちらでも存在することができます。 これは重要なことです。ハプロイドの段階では、1つの突然変異で遺伝子をノックアウトすることができ、両方の対立遺伝子をヒットする必要はありません。 また、酵母では、特にCdc__（細胞分裂制御）遺伝子に多くの変異があり、温度依存性があります。ミスセンス変異を持つタンパク質は、「許容範囲内」の温度では正常に機能しますが、「非許容範囲内」の温度では本来の機能を失ってしまいます。 これにより、（非許容温度での）ノックアウトの表現型を研究することができる一方で、（許容温度での）生物を容易に繁殖させることができるという利便性がある。 S. cerevisiaeの全ゲノムはプラスミドライブラリーとして入手可能であり、どのプラスミドが特定の変異体の表現型を救済するかをスクリーニングすることが可能である。
S. cerivisiaeでは、出芽はG1期の一部であり、娘細胞が一定の大きさに達すると、「START」と呼ばれる瞬間に、2つの細胞がS期に入り、最終的に細胞周期を完了することが約束されます。
温度に敏感なCdc28変異体は、非許容温度では芽が出ない。
温度感受性のCdc28変異体は、非寛容温度では芽が出ません。Cdc28遺伝子は、酵母のホモログであるサイクリン依存性キナーゼ（CDK）をコードしています。CDKは、サイクリンと複合体を形成したときにのみ、他のタンパク質をリン酸化し、細胞周期の各段階への参加を制御することができます。 温度感受性変異体は、非寛容温度では、芽が出ず、S期に入ることもできずに動けなくなる。
タコ（カエルの一種）は、細胞周期を理解する上で非常に重要であることがわかりました。なぜなら、タコの繁殖には、完全に同期した（つまり、すべての細胞が同じ瞬間に細胞周期の同じ段階にある）非常に多くの細胞（ウェスタンブロットなどのための十分な出発材料）が必要だからです。 酵母などと比べると、すべての細胞が同時に同じ段階にあるわけではありません）。 また、卵自体が大きくて作業しやすく、受精後に複数の細胞周期が続くのも特徴です。
中間フィラメント
真核細胞には、マイクロフィラメントや微小管に加えて、中間フィラメント（IF）と呼ばれる「その他」の細胞骨格タンパク質があります。 IFは、ミクロフィラメントや微小管よりも多様性に富んでいるが、「他のフィラメント」という意味ではなく、関連するタンパク質のグループである。 一般的には、細胞質や核内包を通って伸びており、非極性で、関連するモータータンパク質を持たない。 非常に強い引張強度を持ち、非常に安定していて、交換速度は遅く、分解はあまりありませんが、リン酸化によって分解が促進されることがあります。
- ケラチンは、上皮細胞、中胚葉細胞、神経細胞などに存在します。 ケラチンは上皮細胞や中胚葉細胞、神経細胞などに存在し、強度を持ち、酸性型と塩基性型があります。 それぞれが独自のストランドを形成することができますが、ほとんどのIFは、塩基性と酸性の2つのストランドで構成されており、お互いに絡み合っています。 髪の毛や爪は、ジスルフィド結合のためのシステインを豊富に含む「硬い」ケラチンでできており、これが巨大な強度を生み出しています。 パーマや縮毛矯正は、このジスルフィド結合を減らして髪の形を整え、さらにジスルフィド結合を再形成することで行われます。
- ビメンチンなどのデスミンは間葉系細胞（骨、軟骨、脂肪）に存在します。
- ニューロフィラメントは神経軸索に存在し、軸索の直径を調節し、それによって活動電位の伝播速度を決定します。
- ラミンは最も広く存在し、他のすべてのIFの系統的な祖先に最も似ていると考えられています。 核膜を構造的に支える役割を果たしている。
最後に、まとめの動画をご紹介します。