セプチン

タンパク質ファミリー
タンパク質ファミリー
細胞分裂/GTP結合タンパク質
識別子
シンボルセル_Div_GTP_bd
ファムPF00735
ファム一族CL0023
インタープロIPR000038
利用可能なタンパク質構造:
ファム  構造 / ECOD  
PDBRCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBサム構造の概要

セプチンは、植物を除くすべての真核細胞発現するGTP結合タンパク質 のグループです [1] [2] [3]異なるセプチンは互いにタンパク質複合体を形成します。これらの複合体はさらにフィラメント、リング、ガーゼへと集合します。このように集合したセプチンは、細胞内で他のタンパク質を局在させることで機能します。これは、タンパク質が結合できる足場を提供するか、細胞内のある区画から別の区画への分子の拡散を防ぐバリアを形成するかのいずれかです。 [2] [3] [4] [5]また、細胞外皮では膜結合タンパク質の拡散に対するバリアとして機能します。[6]

セプチンは、細胞分裂部位や、繊毛鞭毛などの特殊な構造が細胞体に付着している部位の細胞膜における細胞プロセスの局在に関与していることが示唆されている。 [4]酵母細胞では、セプチンは細胞の一部を区画化し、隔壁で細胞分裂中に構造的サポートを提供するための足場を構築する。このことからセプチンはその名が付けられている。[3]ヒト細胞の研究では、セプチンは病原細菌の周りにケージを構築し、細菌を動けなくして他の細胞への侵入を防ぐことが示唆されている。[7]

セプチンはフィラメント形成タンパク質として細胞骨格の一部とみなすことができます[4]非極性フィラメントを形成する以外に、セプチンは細胞膜、細胞皮質、アクチンフィラメント微小管と結合します。[4] [6]

構造

セプチンポリペプチド鎖の模式的なドメイン構造
a) セプチン分子の模式図。片側にGTP結合ドメイン、もう片側にポリペプチド鎖のN末端とC末端を持つ。b
) セプチンヘテロヘキサマー複合体(ヒトセプチン)の模式図。異なるセプチンがGTP結合ドメインまたはN末端とC末端を介して互いに結合している。複合体の対称性に注目。c
) セプチン複合体がどのようにしてセプチンフィラメントを形成するかを示す模式図。

セプチンはPループNTPaseタンパク質であり、分子量は30~65 kDaです。セプチンは様々な真核生物種間で高度に保存されています。セプチンは、膜結合に重要な塩基性ホスホイノシチド結合モチーフを有する可変長のプロリンリッチN末端、 GTP結合ドメイン、高度に保存されたセプチンユニークエレメントドメイン、そして様々な長さのコイルドコイルドメインを含むC末端延長部から構成されています。[4]

セプチンは、それぞれのGTP結合ドメインを介して、またはN末端とC末端の両方を介して相互作用する。生物種によって発現するセプチンの数は異なり、それらから対称的なオリゴマーが形成される。例えば、酵母ではCdc11-Cdc12-Cdc3-Cdc10-Cdc10-Cdc3-Cdc12-Cdc11という八量体複合体が形成される。[8]ヒトでは、六量体または八量体複合体が形成される可能性がある。当初、ヒトの複合体はSept7-Sept6-Sept2-Sept2-Sept6-Sept7であると示唆されていたが、その後、Sept7-Sept6-Sept2-Sept2-Sept6-Sept7という構造に変化した。[9]しかし、最近この順序はSept2-Sept6-Sept7-Sept7-Sept6-Sept2 [10](または八量体ヘテロオリゴマーの場合はSept2-Sept6-Sept7-Sept3-Sept3-Sept7-Sept6-Sept2 [11])と修正されました。これらの複合体はその後、細胞内で会合して非極性フィラメント、フィラメント束、ケージ、またはリング構造を形成します。[4]

発生

セプチンは真菌動物、一部の真核藻類に見られるが、植物には見られない。[1]

酵母では

サッカロミセス・セレビシエ のセプチン(蛍光顕微鏡写真)
• 緑:セプチン(AgSEP7- GFP
• 赤:細胞輪郭(位相差
• スケールバー:10 μm

サッカロミセス・セレビシエには7種類のセプチンが存在する。そのうち5種類は有糸分裂に関与し、2種類(Spr3とSpr28)は胞子形成に特異的である。[2] [3]有糸分裂セプチン(Cdc3、Cdc10、Cdc11、Cdc12、Shs1)は、細胞分裂中に芽の頸部にリング構造を形成する。[2] [4]これらは、芽の位置の選択、有糸分裂紡錘体の配置、極性成長、および細胞質分裂に関与する。胞子形成セプチン(Spr3、Spr28)は、Cdc3およびCdc11とともに、前胞子膜の縁に局在する。[2]

組織

セプチンは細胞皮質内にセプチン皮質と呼ばれる特殊な領域を形成する。[12]セプチン皮質は細胞周期を通していくつかの変化を受ける。最初に目に見えるセプチン構造は、芽の発生約 15 分前に現れる明確なリングである。芽の発生後、リングは広がり、母芽の首の周りで砂時計の形をとる。細胞質分裂の間、セプチン皮質は二重のリングに分裂し、最終的には消失する。セプチン皮質の機能によっては安定した構造であることが求められるにもかかわらず、セプチン皮質はどのようにしてこのように劇的な変化を遂げることができるのだろうか。FRAP解析により、首部におけるセプチンのターンオーバーは細胞周期を通して複数の変化を受けることが明らかになっている。優勢な機能的コンフォメーションは低いターンオーバー率 (凍結状態) を特徴とし、その間にセプチンがリン酸化される。構造変化には、芽の出現、リングの分裂、細胞分離の前に、脱リン酸化によって誘発されるセプチン皮質(流動状態)の不安定化が必要である。 [3]

セプチン皮質の構成は、細胞周期を通して変化するだけでなく、母芽-芽軸に沿っても変化します。セプチンネットワークのこの極性により、一部のタンパク質は主に首部の母芽側に集中し、一部は中央部、そして他のタンパク質は部に集中します。

機能

足場

セプチンは足場として機能し、多くのタンパク質をリクルートします。これらのタンパク質複合体は、細胞質分裂キチン沈着、細胞極性、胞子形成、形態形成チェックポイント、紡錘体整列チェックポイント、そして芽形成部位の選択に関与ます

細胞質分裂

出芽酵母の細胞質分裂は、セプチンに依存する2つの冗長なプロセス、すなわちアクトミオシンリングのリクルートメントと収縮、そして小胞と細胞膜の融合による隔壁の形成によって駆動されます。セプチン変異体とは対照的に、1つの経路の阻害は細胞質分裂の遅延のみをもたらし、細胞分裂の完全な失敗にはつながりません。したがって、セプチンは細胞質分裂の最上流レベルで作用すると予測されます

細胞極性

出芽酵母における等方性-頂端性スイッチの後エクソシストおよびポラリソーム由来と思われる表層成分は、頂端極から出芽細胞の細胞膜全体へと非局在化するが、母細胞には局在しない。頸部にあるセプチンリングは、これらの因子が2つの区画間で膜拡散するのを防ぐ表層バリアとして機能する。この非対称分布は、セプチン変異体では消失している。

一部の条件付きセプチン変異体は、通常の軸方向の位置にを形成しません。さらに、これらの変異体では、いくつかの芽部位選択因子が頸部の二重リングに典型的に局在することが失われるか、または阻害されています。これは、セプチンが、軸方向に出芽する細胞において、これらの因子のアンカー部位として機能する可能性があることを示唆しています

糸状菌では

セプチンはS. cerevisiaeで発見されて以来糸状を含む他の真核生物種でも相同遺伝子が見つかっています。糸状菌のセプチンは単一細胞内で多様な形状を示し、糸状の形態を制御しています[13] [14]

カンジダ・アルビカンス

Candida albicansゲノムは、 S. cerevisiaeの全てのセプチンと相同な遺伝子をコードしている。Cdc3およびCdc12遺伝子がなければCandida albicansは増殖できず、他のセプチンも形態やキチン沈着に影響を与えるが、必須ではない。Candida albicansは栄養成長において様々な形態を示すことができ、それがセプチン構造の出現を決定する。新たに形成される菌糸は基部にセプチンリングを形成し、菌糸の隔壁部位には二重リングが形成され、菌糸の先端にはセプチンキャップが形成される。細長いセプチンフィラメントが球状の厚膜胞子を取り囲む。隔壁部位のセプチン二重リングにも成長極性があり、成長中の先端リングは分解するが、基底リングはそのまま残る。[13]

アスペルギルス・ニデュランス

A. nidulansには5つのセプチン(AnAspAp、AnAspBp、AnAspCp、AnAspDp、AnAspEp)が存在します。AnAspBpは隔壁形成部位で単環を形成し、最終的に二重環に分裂します。さらに、AnAspBpは分岐発生部位でリングを形成し、分岐が成長するにつれて帯状に広がります。C . albicansと同様に、二重環は菌糸の極性を反映しています。Aspergillus nidulansの場合、極性は基底側のリング(菌糸成長端から遠いリング)の分解によって伝達され、頂端側のリングはそのまま残ります。これはおそらく成長誘導の手がかりとなると考えられます。[2] [13]

アシュビア・ゴシッピ

アシュビア・ゴシッピ のセプチン(蛍光顕微鏡写真) • 緑:セプチン(AgSEP7- GFP
• 赤:細胞輪郭(位相差
• インレイ:不連続なセプチンリングの3D再構成
• スケールバー:10 μm

嚢菌 A. gossypiiはS. cerevisiaeの全てのセプチンと相同性があり、1つが重複している(AgCDC3、AgCDC10、AgCDC11A、AgCDC11B、AgCDC12、AgSEP7)。AgSep7p - GFPのin vivo研究では、セプチンが成長の先端や枝分かれの形成部位に近いところでは不連続な菌糸リングに集まり、 [2]枝分かれ点の基部で非対称構造になることが明らかになっている。リングは成長の先端近くでは長く拡散したフィラメントで構成され、先端から遠ざかるにつれて短く密集する。隔壁形成の過程で、セプチンリングは2つに分裂して二重リングを形成する。Agcdc3Δ 、Agcdc10ΔおよびAgcdc12Δ欠失変異体は異常な形態を示し、アクチンリング形成、キチンリング形成および胞子形成が欠損している隔壁が欠如しているため、セプチン欠失変異体は非常に敏感であり、単一の菌糸の損傷が若い菌糸の完全な溶解を引き起こす可能性があります

動物では

酵母のセプチンや動物の他の細胞骨格成分とは異なり、セプチンは細胞内で連続したネットワークを形成するのではなく、細胞質細胞質内に複数の分散したネットワークを形成する。これらはアクチン束や微小管と一体化している。例えば、アクチン束形成タンパク質であるアニリンは、セプチン組織化の正確な空間制御に必要である。[5]哺乳類精子細胞において、セプチンは尾部にアニュラスと呼ばれる安定したリングを形成する。マウス(そしておそらくヒトでも)では、アニュラス形成の欠陥が男性不妊につながる。[4] [5]

人間

ヒトにおいて、セプチンは他のタンパク質をリクルートしたり拡散バリアとして機能したりする能力を介して、細胞質分裂繊毛形成および神経発生に関与している。セプチンをコードするヒト遺伝子は 13 種類ある。これらの遺伝子によって生成されるセプチンタンパク質は、それぞれ創設メンバーにちなんで名付けられた 4 つのサブファミリーに分類される:(i) SEPT2 ( SEPT1SEPT4SEPT5 )、(ii) SEPT3 ( SEPT9SEPT12 )、(iii) SEPT6 ( SEPT8SEPT10SEPT11SEPT14 )、および (iv) SEPT7。セプチンタンパク質複合体は、ヘテロヘキサマー(3 つの異なるグループから選択されたモノマーが組み込まれ、各グループのモノマーが 2 つのコピーで存在する、3 x 2 = 6) またはヘテロオクタマー(4 つの異なるグループからのモノマー、各モノマーが 2 つのコピーで存在する、4 x 2 = 8) のいずれかを形成するように組み立てられる。これらのヘテロオリゴマーは、フィラメントやリングなどの高次構造を形成する。[4] [5] [1]

セプチンは細菌 性病原体の周囲にケージのような構造を形成し、有害な微生物を動けなくし、健康な細胞への侵入を防ぎます。この細胞防御システムは、赤痢やその他の病気の治療法の開発に利用できる可能性があります。たとえば、赤痢菌はヒトに致死的な下痢を引き起こす細菌です。細胞から細胞へと増殖するために、赤痢菌はアクチンポリマー「尾」を発達させ、これが微生物を推進して隣接する宿主細胞への侵入を可能にします。免疫応答の一部として、ヒト細胞はTNF-αと呼ばれる細胞シグナル伝達タンパク質を産生し、これが感染した宿主細胞内で微生物を取り囲むためにセプチンフィラメントの太い束を刺激します。[15]これらのセプチンケージに閉じ込められた微生物は、オートファジーによって分解されます[16]セプチンの破壊やそれをコードする遺伝子の変異は、白血病大腸がん、パーキンソン病アルツハイマー病などの神経変性疾患の原因となる可能性があります。これらの疾患、そして赤痢菌による赤痢などの細菌性疾患に対する潜在的な治療法としては、 TNF-αの作用を模倣し、セプチンケージの増殖を促進する薬剤を用いて、体の免疫システムを強化することが挙げられます。 [7]

線虫(Caenorhabditis elegans)

線虫Caenorhabditis elegansには、セプチンをコードする2つの遺伝子が存在し、セプチン複合体は2つの異なるセプチンを四量体UNC59-UNC61-UNC61-UNC59複合体として含んでいる。C.elegansのセプチンは、細胞分裂中に分裂溝紡錘体中央部に濃縮される。セプチンはC.elegansにおいて細胞移動と軸索誘導にも関与している[2]

ミトコンドリアでは

ミトコンドリアに局在するセプチンは、ミトコンドリアセプチン(M-セプチン)と呼ばれています。これは、発達中のラット脳においてCRMP /CRAM相互作用タンパク質として同定されました。[17]

歴史

セプチンは1970年にレランド・H・ハートウェルらが酵母(サッカロミセス・セレビシエ)の細胞分裂に影響を与える温度感受性変異体(cdc変異体)のスクリーニングで発見した。スクリーニングにより、制限温度で細胞質分裂を妨げる4つの変異体が明らかになった対応する遺伝子は、4つの元のセプチン、ScCDC10、ScCDC11、およびScCDC12を表している。[3] [4]細胞質分裂が阻害されたにもかかわらず、細胞は出芽DNA合成、および核分裂を継続し、その結果、複数の細長い芽を持つ大きな多核細胞が生じた。1976年、電子顕微鏡写真の分析により、野生型では母芽の首の周りに約20本の等間隔の10 nmフィラメントの条線がみられたが、セプチン変異体細胞ではみられなかった。[3] [4] [13]免疫蛍光研究では、セプチンタンパク質が首の部分でセプチンリングに共局在することが明らかになった。 [4] [13] 4つのセプチンの局在すべてが、条件付きSccdc3およびSccdc12変異体で破壊されており、セプチンタンパク質が相互に依存していることを示している。この発見は、生化学的研究によって強力に裏付けられている。元の4つのセプチンは、 ScSEP7またはScSHS1によってコードされている5番目のセプチンタンパク質とともにアフィニティーカラム共精製された出芽酵母、ショウジョウバエアフリカツメガエル、および哺乳類細胞から精製されたセプチンは、 in vitroで自己会合してフィラメントを形成できる。[13]セプチンがin vitroでどのように相互作用してヘテロオリゴマーを形成し、それがフィラメントに集まるのかは、 S. cerevisiaeで詳細に研究された

精製されたフィラメントの顕微鏡写真から、セプチンが母芽軸と平行に配列している可能性が示唆された。電子顕微鏡写真で観察される10nmの条線は、フィラメント間の横方向の相互作用の結果である可能性がある。セプチン配列に重要な因子を欠損した変異株は、この見解を裏付けている。ScGIN4 、ScNAP1、およびScCLA4の欠失変異体では、セプチンが連続したリングではなく、母芽軸に沿って配向したバーを形成する。

参考文献

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さらに読む

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