微小管は中心体から作られるのか ２

前回からの続きです。

Karsenti, Kirschnerらのグループは、繊維芽細胞から中心体を（核と一緒に）除去して、間期における細胞内微小管がどのような影響を受けるか調べました(1984)。

ひとことでいえば、中心体がない細胞では、間期微小管の数が激減しました。これだけでは微小管も一緒に遠心除去されただけかもしれないので、彼らはさらに微小管重合阻害剤（ノコダゾール）を加えて、ひとまず細胞内の微小管構造をすべて破壊しました。その後、ノコダゾールを洗い流し、通常の培養に戻すことで、微小管をいちから再形成させる実験をおこないました。

すると、中心体のある細胞では微小管が再形成されるのに対して、中心体のない細胞では微小管の再形成があまり活発ではないことがわかりました。すなわち、中心体は間期微小管を形成する機能がある、という結論になります。

同じく1984年に、同じくMitchisonとKirschnerがnatureの同じ号に２つの論文を出しています。そのなかの１つで、彼らは先ほどの論文とは逆に、細胞から中心体のみを単離して、試験管内において、単離した中心体が微小管に与える影響を観察しています(Mitchison and Kirschner, nature 312: 232-(1984))。そのなかで彼らは実際に、中心体には微小管を形成する活性があることを確認しています。

私がこのKirschnerグループの素晴らしいと感じたところは、さきのKarsenti論文で中心体をなくした細胞でのアッセイをするだけではなく、Mitchison論文では逆に中心体だけ取りだしてきて試験管内でアッセイすることで、議論をしっかりとしたものにしている点です。細かい実験の追加によって理論を固めるというよりも、別の大きな実験をおこなうことで検証・実証していく、これはわたしにとっては理想的なサイエンスです。

話がそれましたが、これらの論文の後に、前回紹介した1985年のKirschnerらの論文が続き、「微小管は中心体から形成されることで、選択的に13プロトフィラメントになる」という流れができあがります。

その後の細胞生物学研究の発展により、必ずしもすべての細胞質の微小管が中心体から形成されるとは限らないことも分かりました。分裂期のスピンドル（紡錘体）微小管も、すべてが中心体から形成されるわけではありません。

すると、疑問がわきます。これらの「中心体に依存しないで形成された微小管」は本当に13プロトフィラメントなのでしょうか？

ここで重要となってきたのが、微小管を形成する基点だと以前書いた「γーチューブリン複合体」です。昨年、David AgardとTrisha Davisのグループが、γーチューブリン複合体の構造についての論文をnatureに発表しました。

次回はそこから書きます。

微小管は中心体から作られるのか １

前回、微小管のプロトフィラメントの本数は試験管内だと13-15本でまちまちだが、細胞内で作られる微小管は13本がメインだという話をしました。そしてどうも微小管が中心体から形成されると13本になるという論文の内容でした。

それでは、そもそも間期に細胞質に網目状に存在している微小管は中心体から形成されるのでしょうか。

1984年にはKarsenti, Kirschnerらが繊維芽細胞(fibroblast)から中心体を除去した細胞を調製することで、中心体が間期の微小管構造に与える影響を観察しました(Karsenti, Kobayashi, Mitchison and Kirschner, J. Cell Biol., 98:1763-(1984))。

だいぶ前に書いたように、培養細胞などの間期において、微小管は細胞質に網目状に存在しています。これらの微小管は大部分が中心体に繋がっているように観察されます（リンク先のThe Cellの図を参照）。

Karsenti, Kirschnerらの実験では、細胞から中心体を除去するために、遠心によって核を除去しました。当時おこなわれていた脱核(enucleation)の作業ですが、中心体は核にくっついているため、核を除去すると中心体も一緒に除去されることを利用して、中心体のない細胞を作りました。中心体のみならず、核も除去されるわけですから、実験結果の解釈には注意が必要です。今でこそ、laser ablation（レーザーによる細胞内オルガネラの破壊除去）が可能になってきて、中心体のみを選択的に除去することができますが、それは技術の革新のなせる業です。

さて、中心体を除去すると、微小管構造はどうなるのでしょうか。

次回はここからです。

13本でなければだめなんですか？

微小管を構成するプロトフィラメントの本数がいくつなのか、という話をしました。細胞内の微小管は13プロトフィラメントが大部分で、試験管内で重合させると14プロトフィラメントなどのmixになるということです。

どうして13なのでしょうか。14本ではだめなんでしょうか？　その辺ははっきりしていませんし、生物種や細胞種で違うかもしれません。1985年のKirschnerらの論文では、神経芽細胞腫(neuroblastoma)から単離した微小管の82%は13プロトフィラメントだと記載しています(Evans, Mitchison and Kirschner, J. Cell Biol., 100:1185-(1985))。80年代にはプロトフィラメントに関する研究も多くみられましたが、その後あまり発展した印象を受けません。

細胞質微小管やスピンドル（紡錘体）微小管のみではなく、他のタイプの微小管はどうでしょうか？

特定の細胞、特定の生物種にみられる鞭毛や繊毛の中心部分の軸として、いわゆる軸糸(axoneme)と呼ばれる構造があります（図参照）。軸糸の根本の部分（基部）には基底小体(basal body)と呼ばれる構造があり、いずれも微小管を含みます。軸糸は、通常（注）13+10プロトフィラメントからなるダブレット微小管が円形に９本配列された「９＋２構造」をとります。基底小体は、13+10+10プロトフィラメントからなる３連のトリプレット微小管が９本並んだ「９＋０構造」をとります。中心体のなかの中心小体も、基底小体と同様のトリプレット微小管です。（注：世の中には10や11で描いてある図があって、どれが正しいのか、どれが一般的なのか私は調べてないのでよく分かりません。図もあくまでも模式的なもので、正確ではありません）

このように、軸糸や基底小体、中心小体含めて、必ずしも「13」がすべてではないですが、やはり原則13本というのはかなり堅い約束事のように思えます。

チューブリンを用いて微小管を作るときに、たまたま13本だと微小管が最も安定な構造になるとか、しなやかになるとか。あるいは逆に、13本で安定になるようにチューブリンが進化したと想像するべきか。まだ勉強不足で歴史的にどこまで分かっているのか自分で調べきれてませんが、少しずつ調べていこうと思います。

わたしは鞭毛・繊毛や微小管構造の研究者ではなく、絵を自分で描いてはみましたが、専門家のものには遠く及ばないので、正確な専門家の先生方の絵を参考してください。東京大学理学系研究科生物科学専攻の神谷律教授、廣野雅文准教授らのグループはまさに専門家でして、そちらを是非ご覧になってください。とても面白いです。両先生はもちろんのこと、助教の若林さん、柳澤さんにも大変お世話になっています。

そんなこんなで、13プロトフィラメントと14プロトフィラメントの微小管を自分で描いてみてはじめて気がついたのですが、13と14では断面図でみたときの大きさが違うことになります。

言われてみると数学的に当たりまえなんですけどね。Kirschnerらの前述の1985JCB論文の写真を定規で測ってみましたが、確かに13＜14＜15の順で断面が大きくなります。そりゃ、構造の違いが性質の違いを生み出す可能性はあるかもしれませんね。

微小管のプロトフィラメント(protofilament)

ずっと書こうと思っていたことに、微小管のプロトフィラメント構造のことがありました。

なぜ書かなかったのかというと、自分の中でどうしてもまだしっくりこないところがあって、そのもやもやが解消されるまで書けないと感じていたからです。

そんなこんなで数ヶ月書かなかったのですが、今日から書くことにしました。決してもやもやが晴れたわけではないのですが。

さて、ちょうど１年前に、微小管のマイナス端にはガンマ・チューブリン(γ-tubulin)が存在していて、そこから微小管が重合していく、という微小管形成中心(microtubule organizing center; MTOC)としてのγーチューブリン複合体のことを書きました。

MTOCから形成された微小管はダイナミックに重合と脱重合を繰り返すわけですが、その微小管本体はどういう構造になっているのでしょうか。

微小管という細長い管をハサミかナイフかですぱっと切ってみた断面図を上から見ると、大ざっぱに言って、tubulinが13個並んで輪になっている構図に見えます（下の図を参照）。

αーチューブリンとβーチューブリンが交互に１直線に並んだものを１本の「プロトフィラメント」と定義して、「微小管は13本のプロトフィラメントから成る」というように言います。１本のプロトフィラメントを、チューブリンがたくさん連なった細長い「串団子」だとすると、串団子を13本あつめて１本の微小管ができるというイメージです。

ここで不思議なのは、基本的に生体内（細胞内）で形成される微小管はプロトフィラメントの本数が13であることが非常に多い、ということです。これは1970年代から知られていたことです(Tilney et al., J. Cell Biol., 59:267- (1973))。

ところが、生体内ではなく、試験管内でチューブリンの重合を起こすと、必ずしも13とはならないということが1979-1980年にかけて明らかにされてきました。つまり、13, 14, 15本のプロトフィラメントからなる微小管が混在する状況なので、細胞内には、13プロトフィラメントの微小管を選択的に作るような何らかの仕組みがあると考えられてきました。

Tim MitchisonとMarc Kirschnerのグループは、1985年に発表した論文の中で、微小管は中心体から形成されることによってプロトフィラメント13本になるのだ、ということを示しています(J Cell Biol., 100:1185- (1985))。なるほど、これは理にかなっているかもしれない、重要な発見です。

次回に続きます。

細胞生物学会大会（2011年6月）

来る６月下旬に、第６３回　日本細胞生物学会大会が開催されます。

以前書いたことがありますが、細胞生物学の分野の研究者が集まる学会です。もちろん微小管や細胞分裂も大きな話題のひとつです。
細胞生物が好きな人が多く集まるうえに、規模が巨大すぎる学会というわけでもなく、個人的にはすごく好きな学会です。

詳細は

http://www.aeplan.co.jp/jscb2011/

を参照してください。演題登録の受け付けが始まっております。

今年は６月２７日〜２９日、場所は北海道大学（札幌）というのも魅力的ですね。

とうぜん私も行きたいのですが、同じ時期にInternational Fission Yeast Meeting (国際分裂酵母ミーティング)という分裂酵母の学会もあるので、迷うところです。
１週間でもずれていたら両方行くのですが、まったく同じ日に重なっているので両立は出来ません。悩みどころです。