トレッドミル
タンパク質フィラメントの両端における同時成長と分解
アクチントレッドミル機構。この図は、正極端の臨界濃度が負極端の臨界濃度よりも低く、細胞質サブユニット濃度が正極端と負極端の臨界濃度の中間にあることを前提としています。

分子生物学において、トレッドミル現象は、多くの細胞の細胞骨格を構成するタンパク質フィラメント、特にアクチンフィラメントと微小管において観察される現象です。これは、フィラメントの一端が伸長する一方で他端が収縮することで起こり、フィラメントの一部が細胞質または細胞質を「移動」しているように見えます。これは、フィラメントの一端ではタンパク質サブユニットが絶えず除去され、他端ではタンパク質サブユニットが絶えず付加されるためです。 [1]トレッドミル現象はウェグナー[2]によって発見され、彼は熱力学的および速度論的 制約を定義しました。ウェグナーは、「モノマーとポリマーの会合における平衡定数（K）は両端で同じである。なぜなら、各端にモノマーを付加すると、同じポリマーが形成されるからである」ということを認識しました。単純な可逆的なポリマーはトレッドミル現象を起こすことができず、ATP加水分解が必要となるのです。 GTP は微小管トレッドミル動作のために加水分解されます。

詳細なプロセス

フィラメントのダイナミクス

細胞骨格は細胞において非常に動的な部分であり、細胞骨格フィラメントはサブユニットの追加と除去によって絶えず伸び縮みします。マクロファージなどの細胞の方向性のある這う運動は、細胞の先端（リーディングエッジ）におけるアクチンフィラメントの方向性のある成長に依存しています。

マイクロフィラメント

アクチンフィラメントの両端は、サブユニットの付加と除去のダイナミクスが異なります。そのため、これらはプラス端（ダイナミクスが速く、とげとげ端とも呼ばれる）とマイナス端（ダイナミクスが遅く、尖端とも呼ばれる）と呼ばれます。[3]この違いは、マイナス端へのサブユニットの付加にはサブユニットの構造変化が必要であることに起因します。 [4]各サブユニットは構造的に極性があり、特定の方向にフィラメントに結合しなければならないことに注意してください。[5]結果として、アクチンフィラメントも構造的に極性を持ちます。

アクチンフィラメントの伸長は、ATPに結合した遊離アクチン（Gアクチン）がフィラメントと会合することで起こる。生理的条件下では、Gアクチンはフィラメントの正極端と会合しやすく、負極端とは会合しにくい。[6]しかし、どちらの端でもフィラメントを伸長させることは可能である。GアクチンのFアクチンへの会合は、以下に概説する臨界濃度によって制御される。アクチンの重合は、プロフィリンとコフィリンによってさらに制御される。[6]コフィリンは、フィラメントの負極端でADPアクチンに結合し、これを不安定化させて脱重合を誘導することによって機能する。プロフィリンは、GアクチンへのATPの結合を誘導し、フィラメントの正極端に組み込むことができる。

微小管

細胞内の微小管の運動については、動的不安定性とトレッドミル運動という2つの主要な理論があります。[7]動的不安定性は、微小管が片方の端だけで組み立てられ、分解されるときに発生しますが、トレッドミル運動は、片方の端が重合する一方で、もう一方の端が分解されるときに発生します。

臨界集中

臨界濃度とは、G-アクチン（アクチン）またはα,β-チューブリン複合体（微小管）の濃度であり、その濃度では末端は純成長も収縮も起こらず平衡状態を維持する。[6]末端が成長するか収縮するかは、周囲の領域で利用可能なモノマーサブユニットの細胞質濃度に完全に依存する。[8]臨界濃度はプラス端（C C +）とマイナス端（C C −）で異なり、通常の生理学的条件下では、臨界濃度はプラス端の方がマイナス端よりも低くなる。細胞質濃度が臨界濃度および重合とどのように関係するかの例を以下に示す。

  • C C +およびC C −末端上の細胞質サブユニット濃度は、両端にサブユニットの追加をもたらす。
  • C C +およびC C −末端下の細胞質サブユニットの集中は、両端のサブユニットの除去をもたらす。

C C + 末端と C C −末端の間のモノマーサブユニットの細胞質濃度は、プラス末端で成長し、マイナス末端で収縮するトレッドミル作用として定義されることに注意してください。

細胞は、ポリマーのプラス端とマイナス端の解離定数の間のサブユニット濃度を維持しようとします。

微小管トレッドミル

純粋なチューブリンから形成される微小管は、ランダム交換拡散と方向性（トレッドミル）要素の両方によって、末端でサブユニットの取り込みと損失を受ける。[9]  トレッドミル運動は非効率的であり、定常状態の微小管では、ウェグナーのs値1（サブユニットの正味取り込みに必要な分子イベント数の逆数）は0.0005～0.001に等しい。つまり、1000以上のイベントが必要である。[10]純粋なチューブリンによる微小管のトレッドミル運動は、成長中の微小管でも発生し[11] 、末端に結合するタンパク質によって促進される。[11] 細胞内では急速なトレッドミル運動が発生する。[12] [13] [14]

FtsZトレッドミル

細菌チューブリンホモログFtsZは、最もよく記録されているトレッドミルポリマーの一つです。FtsZは、1サブユニット厚のプロトフィラメントに集合し、さらに平行なプロトフィラメントの小さなパッチを形成します。単一のフィラメントおよび/またはパッチが、in vitro [15] [16]および細菌細胞内でトレッドミル運動することが実証されています。[17] [18] FtsZのトレッドミル運動のモンテカルロモデルは、重合およびGTP加水分解によるサブユニットの構造変化に基づいて設計されています。[19]

参考文献

  1. ^ Bruce Alberts、Dennis Bray、Julian Lewis: Molecular Biology of the Cell、第 4 版、Taylor & Francis、2002 年、pp. 909-920、ISBN 0-8153-4072-9
  2. ^ Wegner, A (1976年11月). 「アクチンの頭尾重合」. J Mol Biol . 108 (1): 139– 150. doi :10.1016/S0022-2836(76)80100-3. PMID  1003481.
  3. ^ ブルース・アルバーツ (2008). 細胞の分子生物学. ガーランドサイエンス. ISBN 978-0-8153-4105-5. 2012年2月4日閲覧。
  4. ^ Alberts, B; Johnson, A; Lewis, J; et al. (2002). 細胞骨格フィラメントの自己組織化と動的構造. Garland Science . 2015年10月19日閲覧。
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