正常な細胞分裂に不可欠なタンパク質の機能と構造を解明

2012年05月31日 #プレスリリース

2012年5月31日

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　国立大学法人京都大学
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構

本研究成果のポイント
○正常な細胞分裂の鍵となるタンパク質複合体(ARF6-MKLP1複合体)を発見し、その立体構造をX線結晶構造解析によって解明。
○同複合体が、細胞質分裂の際に細胞膜と微小管の束を架橋し、分裂に必要なさまざまなタンパク質の集積のための足場となって機能することを解明。

【概　要】

京都大学大学院薬学研究科の中山和久(なかやまかずひさ)教授、高エネルギー加速器研究機構(KEK)物質構造科学研究所の若槻壮市(わかつきそういち)教授らの共同研究グループは、細胞分裂の最終段階で1つの親細胞が2つの娘細胞に分離する過程(細胞質分裂という)の調節の鍵となるタンパク質複合体(ARF6-MKLP1複合体)の立体構造と機能を解明しました。
本研究成果は、5月30日付の科学雑誌「EMBO Journal(ヨーロッパ分子生物学機構雑誌)」に掲載されます。

【背　景】

私たちの身体を構成する細胞は、一部の例外を除いて、分裂して常に増殖することによって、個体の形成過程や適切な生命活動の維持の基盤をなします。ただし、その増殖の速度は細胞の種類ごとにおおよそ決まっており、増殖しすぎないようにする仕組みも備わっています。
細胞分裂の際には、まず細胞の核内に存在する染色体DNAが複製されて2倍になり、複製された染色体は半分ずつに分離します(②)。その後、細胞の赤道面がくびれて(③)、細胞質が最終的に2つに分離すること(細胞質分裂)によって1つの親細胞から2つの娘細胞ができます(⑨)。この2つの娘細胞への分離が正常に起こらなければ、多核の細胞や染色体数の異常な細胞が出現して、細胞の死滅やがん化などが起こります。

【研究の内容と意義、今後の展望】

細胞質分裂の際に、分離しつつある2つの娘細胞間に形成される橋状構造の内部には、微小管^※1の束が存在します(④)。このレールのような役割を果たす微小管の束に沿って、細胞質分裂に必要なタンパク質を含む輸送小胞^※2がモータータンパク質^※3によって運ばれ、微小管の束の中央部分(フレミングボディー)に集積します。フレミングボディーには、モータータンパク質の一種であるMKLP1が待ち受けています(④)。中山教授らの研究グループは、これまで研究してきた低分子量Gタンパク質^※4ARF6が、MKLP1と結合することによってフレミングボディーに局在することを発見しました。そして若槻教授らの研究グループは、KEKのフォトンファクトリーのBL-5A及びAR-NW12Aを用いたX線結晶構造解析^※5によって、ARF6-MKLP1複合体の立体構造を決定しました(⑤)。解明した構造から予想されるのは、このARF6-MKLP1複合体が橋状構造内を走る微小管の束とくびれ部分の細胞膜の間を架橋する(⑥)とともに、さまざまなタンパク質や輸送小胞の局所的な集積のための足場として機能する(⑦、⑧)ことでした。
さらに、RNA干渉法^※6という方法によって、ARF6やMKLP1が細胞内で発現しないようにすると、2個以上(多い場合には4個や8個)の核を有する細胞の割合が増えることから、このARF6-MKLP1複合体の機能が、正しい細胞質分裂の進行にとって不可欠であることを確認しました。
今後は、ARF6-MKLP1複合体を足場にして集積する他のタンパク質の構造や機能を明らかにすることによって、細胞質分裂の調節の分子基盤の全貌の解明を目指します。

本研究は、ターゲットタンパク研究プログラム及び科学研究費補助金による資金的支援を受けて実施されました。

論文名：Structural basis for Arf6-MKLP1 complex formation on the Flemming body responsible for cytokinesis.
雑誌名：EMBO Journal, Vol. 31, No. 11 (May 30, 2012). doi:10.1038/emboj.2012.89
著者：Hisayoshi Makyio, Minako Ohgi, Tomomi Takei, Senye Takahashi, Hiroyuki Takatsu, Yohei Katoh, Ayako Hanai, Tomoko Ueda, Yasunori Kanaho, Yong Xie, Hye-Won Shin, Hironari Kamikubo, Mikio Kataoka, Masato Kawasaki, Ryuichi Kato, Soichi Wakatsuki and Kazuhisa Nakayama

【用語解説】

※1　微小管
チューブリンというタンパク質が多数重合してできた管状の細長い細胞内構造。レールのような役割を果たす微小管に沿ってモータータンパク質が動き、それに伴ってモータータンパク質に結合している輸送小胞などが細胞内を運ばれる。微小管は、細胞分裂時の染色体の分離過程などでも重要な役割を果たす。

※2　輸送小胞
細胞内でタンパク質が輸送される際には、脂質の膜がそのタンパク質を包み込むことによって形成された小胞が輸送される。この小胞を輸送小胞という。

※3　モータータンパク質
　細胞内でATPなどの化学エネルギーを運動エネルギーに変換するタンパク質の総称。筋肉などに存在するミオシンタンパク質はその代表例であり、アクチン繊維に沿って動く。微小管に沿って動くモータータンパク質としてキネシンやダイニンのようなタンパク質のファミリーが知られており、MKLP1はキネシン様タンパク質の1種である。

※4　低分子量Gタンパク質
グアニンヌクレオチド(GTPまたはGDP)と結合するタンパク質であり、細胞内で起こるさまざまな機能のオン／オフを切り替える分子スイッチの役割を果たす。GTP結合型がオン状態で、GDP結合型がオフ状態である。ARF6は輸送小胞の形成や細胞膜との融合の過程でオン／オフのスイッチとして働くと考えられる。

※5　X線結晶構造解析
タンパク質の立体構造を調べるために広く使われている手法の一つ。結晶化したタンパク質にX線を当て、得られた回折X線データから立体構造を決定する。フォトンファクトリーにはタンパク質結晶構造解析用実験ステーションが5つある。

※6　RNA干渉法
標的とする遺伝子由来のRNA(メッセンジャーRNA)における塩基配列と同一の配列を有する短いRNA分子を細胞内に導入すると、そのメッセンジャーRNAが分解される現象を利用して、標的遺伝子由来のタンパク質の発現を抑制する手法。遺伝子破壊実験に比べて簡便に行うことができる。RNA干渉法でタンパク質の発現を抑制した場合に起こる細胞の異常を調べることによって、そのタンパク質の細胞内での機能を推測することができる。

【お問い合わせ】

＜研究内容に関するお問い合わせ＞
国立大学法人京都大学　大学院薬学研究科
生体情報制御学分野教授中山和久(なかやまかずひさ)
TEL: 075-753-4527
FAX: 075-753-4557
E-Mail: kazunaka@pharm.kyoto-u.ac.jp

大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所
構造生物学研究センター長教授若槻壮市(わかつきそういち)
TEL: 029-879-6178
FAX: 029-879-6179
E-Mail: soichi.wakatsuki@kek.jp

大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所
構造生物学研究センター准教授加藤龍一(かとうりゅういち)
TEL: 029-879-6177
FAX: 029-879-6179
E-Mail: ryuichi.kato@kek.jp　

＜報道担当＞
国立大学法人　京都大学
渉外部広報・社会連携推進室
Tel: 075-753-2071
Fax: 075-753-2094
E-mail：koho52@mail2.adm.kyoto.ac.jp

大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
広報室
Tel: 029-879-6047
Fax: 029-879-6049
E-mail：press@kek.jp

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