スピンドル形成チェックポイント

前回、動原体が微小管によって両側から捕らえられる仕組みについて大ざっぱに説明しました。すべての動原体が微小管によって捕らえられると（＝ bipolar attachmentが確立すると）、染色体の分離が起きて左右に分配されます。

そこで問題になったのは、誰がattachmentの確立を監視しているのかという疑問でした。もし誰も監視してなかったらどうでしょう。染色体が左右に分離するのが「なんとなく」起きると仮定すると、まだattachmentできてない動原体があるのに染色体が分離してしまう、その染色体は微小管によって引っ張られることがないので、宙に浮いてしまって、置き去りにされてしまうでしょう。その結果、染色体分配異常を起こし、細胞の癌化あるいは細胞死の原因になる可能性があります。したがって、正常な細胞分裂をするためには、微小管による動原体のattachmentを監視する必要がある、といえます。このような監視機構の存在をスピンドル形成チェックポイントSpindle Assembly Checkpoint（紡錘体形成チェックポイント、スピンドルチェックポイント、あるいは頭文字を取ってSACなど）と呼ばれます。

以下、長いけど「スピンドルチェックポイント」と呼ぶことにします。スピンドルチェックポイントの機能を持つ分子はMad2やBubR1など、いくつか知られています。生き物や実験系によって、同じMad2やBubR1でも機能や性質がことなる部分がありますが、とりあえず分裂酵母のMad2に限って話をします。

野生型の細胞は培地上で正常な増殖を繰り返します。ここで、培地に微小管重合阻害剤であるMBCやTBZを入れてみたらどうなるでしょう。これらの薬剤によって、細胞内微小管の重合が阻害され、スピンドルが形成できない状態に陥ります。

しかし、よほどMBCの濃度が高くない限りは、なんとか時間をかけてスピンドル微小管を形成させて染色体分配をおこない、増殖します。スピンドルチェックポイントはここで、2つの機能を担います。１つは、スピンドルが形成されない細胞では微小管が動原体に結合できないわけですから、その未結合の動原体を見つけてMad2がそこに局在します。これで、チェックポイントのスイッチをONにします。このような認知機構に加えて、第２に細胞周期の停止を起こす機能があります。Mad2が活性化することで、細胞周期を進行させることができなくなります。（実際にはAPC/cの活性を阻害しているのですが、それは次回にします）

細胞周期が分裂中期で停止すると、染色体の分配が起きません。染色体の分配は、後期に移行してはじめて起きることだからです。こうして、微小管がまだ結合していない動原体が細胞内にあるときは、Mad2をはじめとするスピンドルチェックポイントの因子がそれを認識して活性化して、細胞周期を分裂中期に一時停止させることで、染色体の分配が起きてしまうことを阻止しています。その機能はまさしく監視機構といえるでしょう。

それでは、mad2遺伝子を細胞から除去したら(mad2破壊株という言い方をします)、細胞はどうなるでしょう？

培地にMBCやTBZを加えて微小管構造が崩壊し、スピンドルが形成できなくなったとき、Mad2がないので細胞周期を止めることができません。細胞周期は後期に突入し、微小管が未結合であるにもかかわらず染色体の分離が起きて、染色体分配異常を誘発します。チェックポイントの重要性が分かっていただけるでしょうか。

ここでひとつ疑問点があります。

分裂酵母はmad2がなくても、通常の培地では細胞が死ぬわけではありません。何事もないように正常な分裂をして生きています。つまりMad2は生育には必須ではありません。これに対して、ヒトなどの高等生物はMad2を除去すると(ノックアウトすると)、MBCのような薬剤を加えなくても普通の培地で染色体分配異常を示してしまいます。この違いはどうして起きるのでしょうか？　

まだ実験による「答え」は出されておりません。でも、これまでに数ヶ月間にわたって説明してきた内容のなかから、いくつかその「理由」と思われるものを探し出すこともできます。想像してみると良いでしょう。

カフェ文化

ここ数年、カフェという名のついた会合が多く開催されています。おそらく、フランスなどのカフェ文化を模して、真面目な議論や堅苦しそうな内容の会合を、気軽に茶でもすすりながら楽しくお話ししましょうよ、ということなのでしょう。

東大理学部でも、高校生のためのサイエンスカフェと題して、教室では敬遠してしまいがちなサイエンスの話を気軽にしましょう、という企画があって、もし私が高校生の頃にそういう企画があったならば、参加したかったです。最近は、女子高校生のためのサイエンスカフェという企画もあって、理学の裾野が広がっていくことが期待されます。

話はそれますが、毎年夏におこなわれる理学部オープンキャンパスでは女子中高生のための相談コーナー「リガクル❤ミラクル」という企画があります。リガクル❤ミラクルってすごいキャッチですよね。奇跡です。横山広美先生のブログよりその名の由来。

私がロンドンでポスドク研究員をしていた頃も、teaをすすりながら楽しくポスドク仲間と実験の話をして、というよりも世間話とバカ話のあいまに実験の話もして、楽しい時間を過ごしました。重要なのは、実際に優れた実験のアイデアはそういうムードの中でこそ生まれた、ということです。まさにカフェ文化の意義を身をもって体験したといったところです。

それ以来、あの頃のムード、研究のスタイルが私の将来の理想です。イメージするのは、フランスのカフェというよりももっと気楽なリスボンのカフェです。とっても甘い菓子を食べながら。

とはいえ、なかなか日本に日常的なカフェ文化を持ちこむのは難しいですよね。というのも、いい実験のアイデアが出てくるくらいの理想的なカフェであるためには、「たまにカフェでもやってみる」のではなくて、「カフェの中に日常がある」くらいのほうが効果的なので。

それではカフェをたくさん企画してみたらどうだろうか。

微小管カフェ

悪くないが、それ以上でも以下でもない。

動原体カフェ

どうも堅苦しい。

サイクリンカフェ

遊園地のコーヒーカップのイメージになってしまう。分解されるわけだし。

シグナル伝達なら、カフェイン耐性カフェ

楽しいのか苦しいのか。

やはり、リガクル❤ミラクルにはかなわないな。マイクロ❤チューブルっていっても全然よろしくないし。

染色体をどうやって捕らえるか？

3月は何かと忙しくなっていて、更新が遅れました。4月も新学期でいろいろありますが、文字だけでもいいから更新していきたいと思います。文章は大部分をiPod touchで書いているので、なんか変な日本語になってる部分も多いかもしれませんが、どうかご容赦を。

さて、今回は、染色体が微小管によって捕らえられるところの説明です。

前回、中心体が染色体の両側に配置される場面まで書きましたが、そこまでくれば、染色体分配するための準備は半分できたようなものですが、これからのステップもきわめて大切です。

微小管が染色体を捕らえるためには、微小管側の準備と染色体側の準備が必要になります。染色体側の準備は、主に動原体の準備です。動原体とは染色体の中央部分であるセントロメア領域で、微小管が結合する部分にあたります。動原体が正しく形成され、左右を向いていないと、左右から伸びてきたスピンドル微小管によって捕らえられません。このことは特に減数分裂で重要な意味を持っています。それはまた日を改めて、減数分裂の説明をするときに書きます。

そして、微小管側の準備です。微小管が左右両側から形成されることはもちろん重要ですが、さらに微小管のプラス端のダイナミクスが大事です。

微小管の極性について説明したときに、プラス端のダイナミクスこそが染色体を捕らえるのに必要だという話をしました。下図は微小管が染色体を捕らえる過程を模式化したものです。簡単のため、片方の中心体(SPB)のみを描いてあります。

微小管が重合することで微小管は染色体の動原体まで到達します。しかし、微小管は、最初から動原体がどこにあるのか知っているわけではないので、動原体めがけて一直線に伸びて行って一発必中で動原体を射止めるわけではありません。当然、動原体を通り過ぎ、伸び過ぎてしまう事もあります。しかし、それで「残念、失敗でした」で終わるわけにはいきません。微小管は脱重合して、もう一度動原体を狙うことになります。うまく射止めるまでこの繰り返しです。しかも、姉妹染色分体の両方の動原体が、左右それぞれから伸びてきた微小管に結合する必要があります。

このように、search and captureによって染色体が分配される下地ができあがります。すべての染色体で両極からの結合ができあがれば(bipolar attachmentが確立されれば、という言い方をします)、全染色体が一斉に左右に分配されます。いわゆる「分裂後期」の開始です。

と、ここまで書いてきて不思議に思う方もいるかもしれません。「できあがり」というのは、誰がその判断を下すのでしょうか。何本もある染色体のなかで、仮に一本でも、両極からの結合が完了していない染色体がある場合、その状態で一斉に染色体分配が起きれば、その染色体は左右に引っ張られずに、その場に置き去りにされるか、姉妹染色分体の両方が一方の極に連れていかれてしまうでしょう。このような染色体分配異常を避けるために、すべての染色体がbipolar attachmentを完了していることを完全に確認してから、染色体分配を開始さる「監視役」の分子機構があるはずです。

そのような監視機構は実在し、スピンドル形成チェックボイントと呼ばれます。次回はそこからです。

東大生化のwebsiteが新しくなりました

http://www.biochem.s.u-tokyo.ac.jp/

東京大学・理学系研究科生物化学専攻（大学院の名称）および、理学部生物化学科（大学学部の名称）のwebsiteです。

駒場の教養学部生（新１年生、新２年生）とか、それよりも若い高校生のかたとかがもっと理学部生物化学科に興味を持ってもらえると有り難いですね。ぜひ進学先としてご一考ください。

大学院では、東大以外の大学出身者であったり、東大の中であっても違う学部や学科から生物化学専攻に来るひとも多くいます。大学４年生の夏に、大学院入試があります。興味のある人はwebsiteをチェックするなり、メールで問い合わせるなりしてみましょう。

進学の方法と特色を大ざっぱに書きますと、、、

東大ではまず理科１類とか理科２類とか、おおざっぱな枠で入学試験が行われます。つい先日も前期の合格発表が行われました。これは、理学部○○学科とか工学部xx学科を受験するかたちで入試を行う大学とは大きく異なる、東大入試の特徴です。つまり、入学時には細かい専攻内容は決まっていない、決めなくていいのです。合格した大学新１年生は、教養学部（目黒区駒場キャンパス）に在籍し、一般教養を学びます。学生が、○○学部xx学科といった、それぞれの専門に分かれるのは３年生からです。

２年生のときに、自分が進学を希望する学部学科を申請し、夏に進学先が内定します。例えば、理学部生物化学科が定める定員以上の希望者がいた場合（実際、例年そうなってます）、全員は進学できませんから、大学での１年半のトータル成績順に、上位から合格内定していきます。いわゆる「進学振り分け」です。

めでたく生物化学科に内定すれば、大学２年の秋から専門科目の授業が始まります。自分が生物化学科に内定したときは「ああ、これから生化に進学するんだな」とその授業の専門性にとても感動しました。

無事に３年生になれば、駒場を離れ、文京区本郷キャンパスでの生活が始まります。生化の３年生は、火曜から金曜まで毎日、学生実習という実験があります。この時間に実験の基礎を学びます。ここでは、今後自分が研究していく上で必要となる基礎実験をじっくり学びます。このような、実験重視・基礎重視の姿勢が理学部生化のもっともすばらしいところです。ちゃらい実験のうわべをなぞったり、見た目華々しいような研究をちらつかせて学生をリクルートするやり方もあるかもしれません。しかし、生化はそういうスタンスをとりません。あくまでも、基礎充実・自主性の尊重です。このことが本当に重要なのだと感じるのは、学生をやっているときよりも、ポスドク研究員としてひとりで責任もって実験に取り組んでいるときにとても強く実感するものです。自分がそうでした。

生化のある理学部３号館には５研究室があります。生物化学科の４年生はこの５研究室のいずれかに配属されて研究します。大学院理学系研究科・生物化学専攻では、この５研究室以外にも、分生研や医科研その他の東大研究施設での研究も可能です。

大学院（修士課程または博士課程）から生化に来たい人は、先に述べたように４年の夏にある大学院入試を受ける必要があります。そのための説明会は４月にありますので、興味ある人は是非websiteを見て参加してみてください。

すべての人に生化がベストだなんていうつもりはありません。いろいろな学部学科をみて、自分の進学したい学科を決めてもらえれば、と思います。

キネシン-5/Cut7 ～ 分裂酵母のスピンドル（紡錘体）微小管形成 その３～

これまではスピンドル微小管の形成起点のことを中心体と呼んできましたが、前述の通り、酵母では正確にはSPB (Spindle pole bodyの略：スピンドル極体)といいます。高等生物の中心体と酵母のSPBは見た目の構造が違うだけで機能は同じと考えてください。話がなじんできたところで、これからはSPBと言う言葉を併記していきます。

前回までに、複製された2個の中心体(SPB)が隣り合ったまま核膜に存在していて、それらからスピンドル微小管が生えてきたところまで見てきました。スピンドル微小管が安定化されるためにはTACC-TOGやEB1といった微小管結合タンパク質が重要だということでした。

しかし、スピンドル微小管が染色体を分配するためには、中心体(SPB)が染色体の両側に位置することが望まれます。これは既に見てきた染色体分配の図に描かれていた通りです。

さて、どうやって2個のSPBが染色体の両側に位置するのでしょうか。ここで、キネシン-5というモータータンパク質が重要な働きをします。

キネシンは非常に多くの種類が存在しています。およそ５年前に、その機能や分子構造の違いからキネシンの大家族(superfamily)を包括的に系統分類し、名前を番号付けしていきました。それまではEg5, BimC, Cut7, ...これらのキネシンは生き物は違えど機能は類似しているのですが、それぞれの生き物の固有の呼び方で呼ばれていたために混乱を招いていました。

そこで、これらの「相同因子」を、まとめてキネシン-5という肩書きをつけることになりました。現在のところ、キネシン-1からキネシン-14まで14グループに分類してあります。

このキネシン-5は2量体などの多量体を形成し、微小管に結合してその上をプラス端に向かって移動していきます。分裂酵母ではCut7タンパク質で、分かりやすくするために、下の図のように、2量体を形成するとして考えてみましょう。あるCut7の2量体は、1分子ずつが、それぞれ別のSPBから生えた微小管に結合したとします。

ここで、微小管の極性が、SPB(中心体)にあるほうがマイナス端で、反対側がプラス端だったことを思い出しましょう。2量体を形成したままCut7のそれぞれが微小管の上をプラス端に向かって歩き出すと、結果として2本の微小管が逆平行(anti-parallel)に束ねられていくのが分かっていただけるでしょうか？　そうすることによって、核膜上のSPBは少しずつ互いに離れていくことになります。最終的には、2個のSPBは、まるい核膜上の正反対側に位置するようになり、逆平行に束ねられたスピンドル微小管は核の直径の長さになります。分裂酵母ではそれが約2µｍになります。このスピンドルのうえに、染色体が存在します。

これでやっと、染色体の両側にSPBがある「双極」のスピンドル(bipolar spindle)ができるわけです。では、次は、微小管はどうやって染色体をとらえて引っ張ることができるのか、を見ましょうか。

文献：

分裂酵母Cut7:

Hagan and Yanagida. Nature 1990

Hagan and Yanagida. Nature 1992

古いですが、学生の時読んでとても印象に残った論文２報です。

Eg5（ショウジョウバエのキネシン-5）:

Mitchison. Phil Trans R. Soc. 2005

ちょっと難しく、内容も上記のものとはちがうトピックスについての総説ですが。

微小管結合タンパク質 ～ 分裂酵母のスピンドル（紡錘体）微小管形成 その２～

前回は、2個並んだ中心体からヒゲのような微小管が生えてきたところまで説明しました。ここから、微小管結合タンパク質がいよいよ登場です。

微小管結合タンパク質は、文字通り、微小管に結合するタンパク質です。微小管結合タンパク質は微小管に結合して、一般的に微小管のダイナミクスや挙動を制御します。あるものは微小管の先端にのみ存在(局在)したり、あるものは微小管全体に結合したりと結合様式は様々です。実はこれまでのステップにも微小管結合タンパク質は重要な役割を担っていたのです。例えば、微小管重合活性をもつγーチューブリン複合体もそのひとつです。

分裂酵母のスピンドル形成において、γーチューブリン複合体の働きによって2個の中心体から生えてきた短いヒゲのような微小管が安定して伸びていくためには、微小管結合タンパク質の働きが不可欠です。

重要な微小管結合タンパク質をいくつか挙げておきます。TOG (tumor overexpressed gene)と呼ばれる微小管結合タンパク質は、酵母からヒトまで真核細胞生物において広く保存されている微小管結合タンパク質で、分裂酵母ではふたつのタンパク質Alp14とDis1がTOGの相同因子です。TOGは、別のタンパク質TACC (transforming acidic coiled-coil)と複合体を形成することが多くの生き物で見つかっています。分裂酵母でもAlp14は、TACCの相同因子であるAlp7と複合体を形成します。TACC-TOGの複合体は微小管の安定化に極めて重要な役割を担うことが知られています。

また、EB1 (end-binding 1)という名の微小管結合タンパク質もひろく保存され、微小管の安定化に重要な役割を担います。分裂酵母ではMal3というタンパク質がその相同因子です。分裂酵母のスピンドル微小管形成において、中心体から生えた微小管が安定して成長するためには、TACC-TOG (Alp7-Alp14)、EB1 (Mal3)などが欠かせません。

ある特定の微小管結合タンパク質は微小管の上を移動します。微小管をレールだとするとその上を歩くイメージです。これらのタンパク質は微小管上を歩きながら別のタンパク質などをその線路に沿って運んでいく働きがあり、モータータンパク質と呼ばれています。キネシンやダイニンがこの部類に属します。

そして次回は、スピンドル形成における、あるキネシンの役割について説明します。

文献について

Dis1:

Nabeshima et al. Genes Dev (1995)

Nakaseko et al. Curr Biol (2001)

Alp7-Alp14:

Garcia et al. EMBO J (2001)

Sato and Toda. Nature (2007)

TOG全般に関する総説:

Ohkura et al. J Cell Sci (2001)

Mal3:

Beinhauer et al. J Cell Biol (1997)

EB1総説:

清末優子　微小管プラス端集積因子（+TIPs）の伸長端認識メカニズム　実験医学3月号 (2008)

Asakawa and Toda. Cell Cycle (2006)

敬称略。あまり詳細に文献を引用していないことをお詫び申し上げます。

マイナス端では何が起きているか？ 〜 分裂酵母のスピンドル（紡錘体）微小管形成 その１〜

さて、中心体側には微小管のマイナス端が位置するという話をしました。細胞内のスピンドル微小管（紡錘体微小管）において、マイナス端は実際にはどのようになっているのでしょうか？

前々回の図にも書いたように、マイナス端にはγーチューブリン複合体と呼ばれるタンパク質群がキャップ状にくっついています。これは、本来微小管が重合されるときに、重合起点として働くものです。これを微小管形成中心（MTOC; microtubule-organizing center）といいます。

つまり、微小管はγーチューブリン複合体から重合していくことになります。そのため、γーチューブリン複合体はマイナス端側に存在し、一旦微小管を重合させたあとは、さらなる重合や脱重合が起きないようにして微小管マイナス端としてのダイナミクスをさらに抑えます。

これらをふまえて、酵母のスピンドル微小管がどのように形成されていくのかをみてみましょう。

1個の間期の細胞は、最初は1個の中心体を持っています。細胞周期が進むにつれ、中心体は複製されて2個になり、その2個が核膜のうえで隣り合った状態で分裂期に突入します。

隣り合った2個の中心体のそれぞれには、γーチューブリン複合体が存在しています。そのため、中心体を微小管形成中心(MTOC)として、スピンドル微小管が形成され始めます。そして、形成され始めた微小管のマイナス端は、そのままγーチューブリン複合体によってキャップされ、中心体に束ねられています。

ここまでで、図のように微小管が2個の中心体からヒゲのように核内に向かって伸びていく様子が分かっていただけたでしょうか？

この状態からどうやってスピンドル微小管に育っていくのか、まだまだ先は長いといったところでしょうか。