細胞がある形態をとるためには、家に柱や梁があるようにささえが必要です。アクチンはその柱や梁の役割を果たすポリマー形成分子として進化の非常に早い時期から生物にとって欠かせないタンパク質でした。そしてそのアクチンによる構造形成を制御する因子としてADF(actin depolymerozing factor)は1980年に(1)、コフィリン(cofilin) は1984年に発見されました(2)。ADFとコフィリンは遺伝子構造・アミノ酸配列・分子としての機能がきわめて類似していることから、近縁のそのほかの分子群と合わせてADF/コフィリンファミリーを形成しています。
ではそれらのアクチンを加工する分子としてのADF/コフィリンのファミリーは分子進化の観点からみると、いつの時代からあるのでしょう。そして現在はどのような生物が保有しているのでしょう。ユニバーサルな分子なのでしょうか。
2020年に Akil らは Asgard archaea という古細菌に、ADF/コフィリンのファミリーに含まれると考えられるタンパク質が存在すると報告しました(3)。真核生物については Mciver and Hussey が2002年にまとめています(3)。ドレブリンなどに比べるとADF/コフィリンファミリーのタンパク質群は古くから多数の報告があり、遺伝子構造まで詳しく調べられています。ピックアップして生物の種類・分子の種類・イントロンの数を並べると次のようになります(4)。ヒトやそのほかの哺乳類が持つこのファミリーのたんぱく質は、非筋肉型コフィリン1、筋肉型コフィリン2、ADF(Actin depolymerizing factor)の3種類ですが、シロイヌナズナには6種類が存在し、一般的に植物は多くの分子種を持っているようです(4)。植物・粘菌・酵母・昆虫・ヒトに存在することから、このファミリーはユニバーサルであるといえます。
シロイヌナズナ ADF1~ADF6 2
イネ ADF1~ADF2 2
粘菌 UNC60 4
タマホコリカビ DCOF1~2 1(DCOF1) & 0(DCOF2)
出芽酵母 COF1 1
分裂酵母 ADF1 0
ショウジョウバエ twinstar 2
ヒト cofilin 1 3
cofilin 2 4
ADF 3
分子系統樹も報告されています(植物は省略 4、図295-1)。

図295-1 ADF/コフィリンファミリーの分子系統樹
コクシジウムというのは多細胞生物に寄生する原生動物です
ADF/Cofilin 分子の立体構造は、系統上かけはなれた生物においても非常に類似しています(4、図295-2)。これは切断の対象となるアクチン分子が非常に強く進化的に保存された構造を持つので、当然といえば当然です。ただシロイヌナズナではC末のαヘリックスが失われていることが気になりますが、これにどのような意味があるのかはわかりません。

図295-2 ADF/コフィリンの立体構造
次に、ADF/Cofilin の機能について図295-3(5)を使って解説します。

図295-3 アクチン線維の形成とADF/Cofilinの役割
アクチンモノマーはGアクチン(globular actin)と呼ばれ、Gアクチンの濃度がある程度上昇すると3量体が形成され、Mgイオンの存在下でさらに重合が進んで繊維状の構造が形成されます。この状態のポリマーをFアクチン(filamentous actin)と呼びます。以下の解説については参照文献(5~7)を参考にしました。
①Gアクチンは通常ATPまたはADPと結合している状態で存在しますが、ATPと結合した状態のGアクチンが重合すると、2秒以内に加水分解反応が起きてATPはADPとなります。このときリン酸はすぐにはアクチンと解離せず数分結合した状態が保たれます。この結果図の赤色の部分はATP-アクチン、橙色の部分はADP-Pi-アクチンとなり、F-アクチンは左右(新旧)で異なる構造をとることになります。左端を反矢尻端(barbed end)、右端を矢尻端(pointed end)と呼びます。矢尻というのは矢の後端ではなく先端です。
②③ATP-アクチンの重合・脱重合が拮抗するGアクチン濃度は0.1μM、ADP-アクチンの重合・脱重合が拮抗するGアクチン濃度は0.6μMなので、リン酸(Pi)が離れたADP-アクチンはGアクチン濃度がO.6μM以下の場合脱重合します。そして0.1μM~0.6μMの場合F-アクチンは左端では重合し、右端では脱重合するという、いわゆるトレッドミル(ルームランナー)状態になります。
④コフィリンはADP-アクチンと親和性があり結合します。この結果コフィリンが結合した部分のF-アクチンは構造が変化します。
⑤⑥コフィリンが結合している部分と結合していない部分は構造が異なり、その連結が不安定になるためそれぞれの部分ごとに切断されます。
⑦コフィリンが結合しているF-アクチンはLife-Actやファロイジンで検出できないことがあります。
G-アクチン濃度やコフィリン濃度に応じてF-アクチンは解離してG-アクチンとなります。細胞の形態を再構築し、例えば樹状突起に新たなスパインをつくろうとするときには素材となるG-アクチンが豊富に存在することが必要で、これは新たな合成を待てない場合もあります。したがってF-アクチンをG-アクチンに変換する機能を持つADF/コフィリンの役割は大きいのですが、この分子群は条件によってはF-アクチンを安定化する場合もあります。
記憶という現象が樹状突起におけるスパインの形態変化に依存しているとすれば、そのエンジンはアクチンなので、アクチンの重合を制御するシステム(アクセル・ブレーキ・ハンドル)は極めて重要な意味をもつことになります。また神経細胞の成長も形態変化のひとつであり、アクチンがエンジンであることに変わりはありません。
Hyltonらはラット海馬の神経細胞を培養し、仮足におけるアクチン線維と関連タンパク質を電子顕微鏡と染色によって解析しました(8)。これはすでによく知られていることですが、仮足のF-アクチンをファロイジンで染色すると、図295-4aのように葉状仮足も糸状仮足もよく染まります。しかしF-アクチンに結合するタンパク質であるコフィリンとファシンは、それぞれほぼ糸状仮足の基部と先端部に住み分けているような結果が得られました(図295-4d、e)。

図295-4 ニューロンの成長円錐における糸状仮足のアクチン関連タンパク質-ファシンとコフィリン
ファロイジン染色では葉状仮足(ラメリポディア)も盛大に染まっていますが(図295-a)、ファシンやコフィリンはかなり糸状仮足(フィロポディア)のF-アクチンと同じ位置に偏在しているようにみえます(図295-d、e)。葉状仮足にはほとんどみられません。
Hylton らは高倍率の電子顕微鏡を用いて、糸状仮足のコフィリンを含まないアクチン線維とコフィリンが結合したコフィラクチン線維の比較を行いました。

図295-5 電子顕微鏡でみるF-アクチンとコフィラクチンの比較と構造モデル
コフィリンを含まないアクチン線維(F-アクチン)は、かなり分子構造のでこぼこがあるスクリュー型で回っている感じがよくわかります。その螺旋のピッチは37nmです(図295-5a)。それに対してコフィラクチンは、コフィリンがでこぼこの穴にはまる感じで結合していて、しめ縄型ともいえるスムースな形態です。ピッチは短くなっていて27nmになります。そして隣の線維とはずれた配置になっています(図295-5b)。
コフィラクチンの分子モデルは図295-6b にあります。コフィリンがF-アクチンのまわりを覆うように結合しているのに対して、ファシンはF-アクチンの線維を架橋するように結合します(図295-6a)。コフィラクチンの場合図295-6bのように、ファシンが線維間に入り込むスペースがないので架橋することはできません。

図295-6 ファシンによる架橋の可否
Hylton らはフィロポディアにおけるアクチン線維束の構造について図295-7のようなモデルを提出しています。左が根元で右が先端です。根元はコフィラクチンで、先端はファシンで束ねられたF-アクチンです。図295-4をみるとコフィリンとファシンが共存している移行部分がありそうなので、そのあたりの中間的構造も示してあります(図295-7b)。コフィラクチンがどのような構造によって束ねられているかははっきりしていないようで、彼らも?をつけています。未知の架橋因子があるのかもしれません。

図295-7 糸状仮足におけるアクチン線維束のモデル
参照文献
1)J. R. Bamburg, H. E. Harris AND A. G. Weeds, PARTIAL PURIFICATION AND CHRACTERIZATION OF AN ACTIN DEPOLYMERIZINNG FACTOR FROM BRAN., FEBS lett., vol.121, no.1, pp.178-182 (1980).
https://doi.org/10.1016/0014-5793(80)81292-0
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0014579380812920
2)Nishida E, Maekawa S, Sakai H. Cofilin, a protein in porcine brain that binds to actin filaments and inhibits their interactions with myosin and tropomyosin. Biochemistry. 1984 Oct 23;23(22):5307-13 (1984)
https://doi.org/10.1021/bi00317a032
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/6509022/
3)Caner Akıl et al., Insights into the evolution of regulated actin dynamics via characterization of primitive gelsolin/cofilin proteins from Asgard archaea., Proc.NAS.USA, vol.117, no.33, pp.19904 - 19913 (2020)
https://doi.org/10.1073/pnas.2009167117
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2009167117
4)Maciver SK, Hussey PJ. The ADF/cofilin family: actin-remodeling proteins. Genome Biol. vol.3(5): reviews 3007. (2002)
https://link.springer.com/article/10.1186/gb-2002-3-5-reviews3007
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC139363/
5)James R. Bamburg J.R.; Minamide, L.S.; Wiggan, O.; Tahtamouni, L.H.;Kuhn, T.B.
Cofilin and Actin Dynamics: Multiple Modes of Regulation and Their Impacts in
Neuronal Development and Degeneration.
Cells vol.10, 2726. (2021)
https://doi.org/10.3390/cells10102726
6)若林健之,村上健次 アクチンのフィラメント構造と重合機構―重合によるATPase活性化のメカニズム― 生物物理 vol.1(6),pp.256-259(2011)
https://doi.org/10.2142/biophys.51.256
https://www.jstage.jst.go.jp/article/biophys/51/6/51_6_256/_article/-char/ja/
7)ウィキペディア: アクチン
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%82%AF%E3%83%81%E3%83%B3
8)Hylton, R.K., Heebner, J.E., Grillo, M.A. et al. Cofilactin filaments regulate filopodial structure and dynamics in neuronal growth cones. Nat Commun 13, 2439 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30116-x
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30116-x#citeas
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