７６．細胞骨格 Ⅲ

　ここまで述べてきましたように、マイクロフィラメントや微小管は細胞骨格とはいえ 、むしろ細胞移動・細胞内輸送・細胞分裂などダイナミックな作業を実行するためのツールであり、変動も激しく、形成や活動にＡＴＰやＧＴＰを大量に使用します。それらと比較すると中間径線維は安定で、線維の形成にＡＴＰやＧＴＰを必要としないので、細胞骨格という名前にふさわしいかもしれません。中間径というのは、約６ｎｍ径のマイクロフィラメントと約２５ｎｍの微小管の中間のサイズ＝約１０ｎｍという意味です。
　図７６－１はケラチンを例にとりましたが、Ⅰ型とⅡ型のケラチンがヘテロ２量体をつくり、そのヘテロ２量体がアンチパラレルに結合して４量体を形成し、それらが４本集まってプロトフィブリルを形成します。プロトフィブリルが多数集まって、中間径線維ができあがります。このような構造を形成するためにＡＴＰやＧＴＰは消費しません。

図７６－１　中間系線維の構築

　中間径線維も伸長や短縮を行いますが頻繁ではなく、基本的には細胞の形態を決めるのに役立っているとも言えますが、実際にはそんなに単純ではなくて、例えばケラチンの場合、その生理的意義・機能は非常に多岐にわたっており、角化によって水分の蒸発を防ぐ、細菌やウィルスの侵入を防ぐ、紫外線のダメージを吸収する、体温を維持する、捕殺や負傷を防ぐ、敵を突き殺す、指先に力を与える、蹄で体重をささえて走る、羽毛で空を飛ぶ、など数えきれません。
　中間径線維を構成するタンパク質は図７６－２のように多数のグループがあり、通常それぞれのグループに複数の種類のタンパク質が所属します。グループを越えて複合的な繊維をつくることは一般的にはありません。ケラチンは上皮組織、ビメンチンは間充織、デスミンは筋肉、ニューロフィラメントは神経など特定の組織で発現するタンパク質が多いのですが、ラミンだけは例外的に広汎な組織にみられます。

図７６－２　中間系線維の種類と局在

　各タンパク質の分子構造をみていきますと、図７６－３のように、すべてＮＨ２側（Ｎ末）とＣＯＯＨ側（Ｃ末）にαヘリックスやβシートを形成しない領域があり、中央にαヘリックスからなるロッド領域があるという形で、３つのドメインで構成されています。ロッド領域は２～３ヶ所の非αヘリックスリンカーで分断されています。ロッド領域で多数の分子がパラレルに結合することによって太いケーブルが形成され、Ｃ末とＮ末がタンデムに結合して長いケーブルとなります。中間系線維を構成する分子はすべて細胞質にありますが、ラミンだけは例外的に核にあるのでＣ末ドメインに核局在配列が存在します。（分子量は５万～７万です）。

図７６－３　中間系線維を構成する様々なタンパク質の構造を比較する

　ケラチンは生化学者には嫌われているタンパク質です。というのはラーメン店でスープを指にかけながら持ってくるウェイトレスのような研究者もいて、電気泳動槽のバッファに指をちゃぽちゃぽ浸しながら移動すると、目的のタンパク質以外に皮膚のケラチンが検出されます。頭を洗っていない研究者だとフケが落下したりもします。
　ケラチンにはＳＨが多く（髪が焦げると硫黄の臭いがします）、となりの分子のＳＨと結合してＳＳ（ジスルフィド結合）を形成するので、分子の独立性は失われ、やや大げさに言えば毛髪・爪・角・鱗などはひとつで１巨大分子ということになります。ケラチンは肝臓のような柔らかい組織にもあるので、存在場所に応じて多くの種類があります。ヒトを含めて動物は数十種類のケラチン分子種すなわち遺伝子を保有しています。
　ケラチンを発見したのは誰だか判りませんが、１６世紀の中国の薬草学者李時珍（Li Shih-chen　図７６－４）が治療に用いていたことが、私は未読ですが、彼の大著「本草綱目Compendium of Materia Medica」から読み取れるそうです（１－２）。最初にケラチン遺伝子の配列を決めたのはハヌコグルとフックスです（３、図７６－４）。

図７６－４　ケラチン研究の先覚者達

　これはややめずらしいことだと思いますが、たとえばヒトの場合、Ｉ 型ケラチングループの各遺伝子は第１７染色体の特定部位（17q21.2）に、ＩＩ 型ケラチングループの各遺伝子は第１２染色体の特定部位（12q13.13）にぎっしりかたまって存在しています。しかも上皮ケラチン・毛根鞘ケラチン・毛＆爪ケラチンはそれぞれクラスターを形成しています。偽遺伝子もいくつかみつかっています（図７６－５）。ケラチンの大きな特徴として、表皮・毛髪・爪・角・鱗などの死細胞においても、垢・雲脂・生え替わりなどで外界に廃棄されるまで、その機能を果たしていることが上げられます。

図７６－５染色体上のケラチン遺伝子の位置とクラスター

　ビメンチン（分子量５７，０００）は発見者がはっきりしています。ドイツのマックス・プランク研究所の　Franke WW, Schmid E, Osborn M, and Weber K.　です（４）。オズボーンとウィーバー（夫妻）は生化学に手を染めた者なら誰でも使ったことがあるはずの「ＳＤＳ－ＰＡＧＥ」という分析法を開発したことで有名な研究者です（図７６－６）。フランケは近年はアンチ・ドーピングの研究者としても有名です（図７６－６）。

図７６－６　ビメンチンの発見者達

  図７６－７Ａはラット胎児の皮膚で私が撮影したものですが、ビメンチンが茶色に染まっています。表皮や毛包の上皮性組織はほとんど染まらず、間充織である真皮や毛乳頭はよく染まっていることがわかります。違いが明白なので腫瘍が上皮性か間充織性かを判別するのに、ビメンチンの染色が使われています。図７６－７Ｂは細胞内におけるビメンチンの分布です。核を包み込むような感じですが、ミトコンドリアや小胞体と結合する場合もあるようです（６）。

図７６－７ビメンチンの染色　　HF: Hari follicle（毛包）　ED: Epidermis（表皮）　D: Dermis（真皮）　↑: Dermal papilla（毛乳頭）

　ビメンチンの機能はかなり微小管が代替することができるようで、両者の機能の切り分けがはっきりとわかっていませんが、ビメンチンには細胞に弾力を与えたり、オルガネラを保護するような役割があるようです（６）。ビメンチンの遺伝子を欠損すると負傷からの回復が遅れるという報告もあります（７）。
  デスミン（分子量５３，５００）は筋細胞に特異的に存在するタンパク質で、デスミンがつくる線維は細胞骨格と言うより筋組織のパーツとしての役割を担っています。。ラザリデスのグループによって発見され（８）、遺伝子配列はLi Zhenlin（９）らによって解明されました。デスミン遺伝子を欠損させたマウスでは、正常な筋肉組織が形成されないことが明らかになっています（１０）。デスミン遺伝子の突然変異によるヒト筋肉疾患も報告されています（１１）。
　デスミン線維は横紋筋細胞では図７６－８のように配置されていて、筋原線維のＺディスク同士、Ｚディスクと筋鞘（サルコレンマ）のコスタメア、Ｚディスクとミトコンドリアや核を連結しています（１２、図７６－８）。

図７６－８　横紋筋細胞におけるデスミン線維の配置

　ニューロフィラメントは神経細胞に特異的に出現する中間径繊維で、発見者は F.C. Huneeus（イヌ） & P.F. Davison です（１３）。構成しているタンパク質は３種類の分子量がかなり異なるアイソフォームで、それぞれNF-H （分子量 200-220 kDa）、 NF-M （分子量145-160 kDa）、 NF-L （分子量68-70 kDa）と命名されています。軸索の内径を広げて、神経伝達がスムースに行われるようにするという説があります（１４）。
　類似したタンパク質にα－インターネキシン（分子量６６kDa）というのがありますが、図７６－９のようにニューロフィラメントタンパク質（グリーン）とは異なる細胞（図７６－９の場合は未分化な神経細胞　レッド）に発現する場合があります。神経細胞にはこの他にネスチン、ペリフェリンなどの中間径繊維形成タンパク質も発現します。
　　最後にラミンですが、ラミンだけは核に局在しているタンパク質で、ラミン線維は核ラミナと呼ばれる核膜を裏打ちしている構造となっています。初期の研究は Aaronson RP と Blobel G によって行われました（１５）。１０年後には遺伝子配列も明らかになりました（１６）。ラミンは真核生物が出現すると同時に生まれたのではないようです。ヒドラからヒトまですべての動物（後生生物）にあるのですが、植物・カビ・単細胞生物は持っていません。このことはラミンが動物独特の体細胞分裂に関与していることを示唆しています（１７、１８）。また核内での染色体の位置決めとかＤＮＡの転写にも関与しているかもしれません（１８）。

図７６－９　脳細胞におけるニューロフィラメントL（緑）とα－インターネキシン（赤）

　ラミンにはＡタイプとＢタイプがあり、それぞれ別の遺伝子にコードされています。これ以外にCタイプというのがあるのですが、ＣタイプとＡタイプは同じ遺伝子にコードされており、Cタイプは選択的スプライシングによって生成されたものです。Ｃタイプも含めたＡタイプは胎生期にしか発現しません。一方ＢタイプはＢ１・Ｂ２が別の遺伝子にコードされており、これらはすべての細胞に認められます。ＡタイプはＢタイプから進化的に派生したと考えられています（１７、１８）。Ａラミンの機能をＢラミンがすべて代替できるわけではなく、マウスではＡタイプラミンの欠損によって、成長が著しく遅れ、筋ジストロフィーが発生するそうです。またラミンＢの欠損は致死です（１８）。ラミンの局在に関心がある方は、参照に記載したサイトをご覧ください（１９－２２）。

参照

１）Compendium of Materia Medica：https://en.wikipedia.org/wiki/Compendium_of_Materia_Medica
２）The discovery of keratin. http://keratininformation.weebly.com/discovery.html
３）Hanukoglu, I.; Fuchs, E., "The cDNA sequence of a human epidermal keratin: divergence of sequence but conservation of structure among intermediate filament proteins". Cell. vol. 31 (1): pp. 243–252.  (1982) doi:10.1016/0092-8674(82)90424-X. PMID 6186381.
４） Franke WW, Schmid E, Osborn M, Weber K. Different intermediate-sized filaments distinguished by immunofluorescence microscopy. Proc Natl Acad Sci USA vol. 75: pp. 5034-5038 (1978)
５）Wikipedia(German): Werner Franke (Biologe), https://de.wikipedia.org/wiki/Werner_Franke_(Biologe)
６）Wikipedia: Vimentin,  https://en.wikipedia.org/wiki/Vimentin
７）Eckes B, Colucci-Guyon E, Smola H, Nodder S, Babinet C, Krieg T, Martin P., "Impaired wound healing in embryonic and adult mice lacking vimentin.". Journal of Cell Science. vol. 113: pp. 2455–2462. (2000) PMID 10852824.
８） Izant JG, Lazarides E.,  "Invariance and heterogeneity in the major structural and regulatory proteins of chick muscle cells revealed by two-dimensional gel electrophoresis". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. vol. 74 (4): pp. 1450–1454. (1977) PMID 266185. doi:10.1073/pnas.74.4.145
９）Li Zhenlin, Alain Lilienbauma, Gillian Butler-Browneb, Denise Paulin., Human desmin-coding gene: complete nucleotide sequence, characterization and regulation of expression during myogenesis and development., Gene, vol. 78, Issue 2,  pp. 243–254 (1989)
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0378111989902278
１０）Capetanaki Y1, Milner DJ, Weitzer G., Desmin in muscle formation and maintenance: knockouts and consequences., Cell Struct Funct., vol. 22(1): pp. 103-116. (1997)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9113396
１１）デスミンミオパシー，デスミン遺伝子の突然変異による心筋ミオパシーを伴った骨格筋ミオパシー：　
http://www.nejm.jp/abstract/vol342.p770
１２）Panagiotis Koutakis et al., Abnormal Accumulation of Desmin in Gastrocnemius Myofibers of Patients with Peripheral Artery Disease: Association with Altered Myofiber Morphology and Density, Mitochondrial Dysfunction and Impaired Limb Function., Journal of Histochemistry and Cytochemistry (2015)
https://www.researchgate.net/publication/270705709_Abnormal_Accumulation_of_Desmin_in_Gastrocnemius_Myofibers_of_Patients_with_Peripheral_Artery_Disease_Association_with_Altered_Myofiber_Morphology_and_Density_Mitochondrial_Dysfunction_and_Impaired_Li
１３）F.C. Huneeus. and P.F. Davison,  Fibrillar proteins from squid axons: I. Neurofilament protein, Journal of Molecular Biology, vol. 52, Issue 3, pp. 415-418 (1970).
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0022283670904109#
１４）Wikipedia: Neurofilament,  https://en.wikipedia.org/wiki/Neurofilament
１５）Aaronson RP, Blobel G., Isolation of nuclear pore complexes in association with a lamina. Proc Natl Acad Sci vol. 72: pp. 1007–1011 (1975)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2964183/
１６）McKeon FD, Kirschner MW, Caput D., Homologies in both primary and secondary structure between nuclear envelope and intermediate filament proteins. Nature 319: 463–468 (1986)
１７）Wikipedia: Lamin,  https://en.wikipedia.org/wiki/Lamin
１８）Thomas Dechat, Stephen A. Adam, Pekka Taimen, Takeshi Shimi,and Robert D. Goldman, Nuclear Lamins., Cold Spring Harb Perspect Biol;2:a000547　(2010)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2964183/
１９）http://www.abcam.co.jp/lamin-b1-antibody-nuclear-envelope-marker-ab16048.html
２０）http://www.abcam.co.jp/lamin-a-antibody-ab26300.html
２１）https://www.thermofisher.com/jp/ja/home/life-science/antibodies