F-アクチン
F-アクチンの結晶構造 2zwh
糸状アクチン（F-アクチン）はマイクロフィラメントとも呼ばれ、非常に保存されたタンパク質性成分で真核生物の細胞骨格にほぼ遍在していることが知られています。 F-アクチンと他のアクチンタンパク質は、一般に細胞内で構造的な役割を担っている。
はじめに
アクチンはほぼすべての真核細胞に存在し、主に構造タンパク質および移動タンパク質としての機能で知られています。 また、ATPをADPとPiに加水分解し、加水分解のたびに構造変化を起こすATPアーゼの機能も持っている。 アクチンは、ヌクレオチドに依存した構造変化をすることから、Hsp70(DnaK)、Hsc70、ヘキソキナーゼなどの他のタンパク質を含むアクチンスーパーファミリーに属している。 大腸菌の、Hsc70とアクチンのATPaseドメインに見られる類似性から、この2つのタンパク質は共通の祖先を持つと考えられている。 原核生物はアクチンを持たないが、アクチンのホモログであるMreBを持つことが知られており、このことも共通祖先の可能性につながっている。
アクチンは、アクチン単量体の球状アクチン（G-アクチン）と、重合体の糸状アクチン（F-アクチン）の2つの形態で存在する。 この2つの形態は、ATPによる重合と解重合が細胞内で連続的に起こることで、互いに動的な平衡状態にある。 F-アクチンの単量体単位は遊離単量体とは異なる形態を持っており、その変化の結果、より特異的なATPase活性が観察されることがある。
Assembly
(1J6Z).
G-アクチンはアクチンの遊離単量体の形で、F-アクチンへと重合します。 G-アクチンがF-アクチンを構成しているにもかかわらず、球状アクチンとフィラメント状アクチンの構造は多くの点で互いに異なっている。 単量体のアクチンが重合してF-アクチンになると、その単位は扁平になる。 また、F-アクチンはG-アクチンにはないATPアーゼの機能を持っている。 ドメインや活性部位は構成要素としては同じであり、後ほどF-アクチン単量体の観点から説明する。
G-アクチンは活性部位の外側に、より多くのリガンドを構造中に持っているようである。 5つのうち実際に溶液中に存在するのは3つだけで、G-アクチンからF-アクチンへの重合に寄与していると考えられている。 また、このG-アクチンの表現には、いくつかのアクチン結晶構造で観察されるが、必ずしもそうでないものが存在する。 Cys374上の観測された分子を用いて重合活性を阻害したため、G-アクチンの結晶を観察することができた
F-アクチンの形成は「トレッドミル」と呼ばれる組み立てと分解の動的過程である。 G-アクチンとF-アクチンの間の移行は、核生成-縮合タイプの折り畳みパターンによって形成されたATP-アクチンユニットの安定したオリゴマーで始まる。 その後、どちらかの末端にATP-モノマーが付加されるが、両末端の電荷極性が異なるため、「プラス（＋）端」あるいは「バーブドエンド」と呼ばれる部分に優先的に付加される。 反対側の「マイナス（-）端」または「尖った端」では、アクチンユニットの優先的な解離がある。
ATP結合したアクチンが結合した後、ATPの加水分解が起こり、ADPとPiが結合した状態になる。 その後、Piが失われるとADP-アクチンの状態になる。 F-アクチンは、両末端で単量体単位の付加や除去が起こりうるため、平衡の観点で記述することができる。 しかし、ATP-アクチンの会合速度はADP-アクチンの解離速度の10倍であるため、F-アクチンは前進しているように見える、つまり「treadmilling」しているように見えるのである。
構造
構造の歴史
F-アクチンタンパク質は1942年にStraubによって発見された。 1990年にホームズらによって発見された低分解能X線結晶写真に基づいて構造が推測され、この間、「ホームズモデル」が受け入れられてきた。 一方、G-アクチンの構造は30回以上にわたって独自に決定されてきた。 F-アクチンの高分解能モデルは、2008年12月にOdaらによってPDBデータバンクに登録されたばかりである。
F-アクチン単量体と高分子
(2zwh)
モノマー
各F-アクチンモノマー単位には3次構造の一部として、重合したFアクチンへの集合にとって重要となるいくつかのループがある。 これらのループは、結合したヌクレオチドの状態に応じて構造変化を起こしたり、隣接する単量体アクチンユニットが結合するための領域として機能する。 結合したヌクレオチドに基づく、コンフォメーションの「スイッチ」として働くのである。 DNAse I結合ループ残基（40-50）は、安定性に影響を与える構造変化を起こすことに加えて、DNAse I酵素と結合し、DNAse Iを保持することが推測される。疎水性ループ、残基264-273にまたがる、および残基165-172にわたるは、隣接するアクチンモノマーDループが結合し得る部位として機能している。
このようにF-actin分子は375残基（43kDa）、ADPとCa2+の2つのリガンドから構成されている。 ヌクレオチド結合裂け目で区切られた2つの主要なドメインを持っている。 ヌクレオチドが結合した状態によって、F-アクチンの最も安定なコンフォメーションが変化する。 ATPとADP+Piのヌクレオチドが結合した状態では、結合溝は閉じた状態にある。 アクチンの特徴として、ヌクレオチドの状態によって立体構造が変化するにもかかわらず、ドメインは互いにねじれたままであることが挙げられる。
F-Actin polymer (based on Ken Holmes F-actin structure)
Polymer
F-actin は二つの右巻きらせんの外観を持っていて、互いに徐々にねじれながら回っています。
Nucleotide-State-Dependent Conformational Changes
結合したリン酸化ヌクレオチドの状態がF-アクチン単量体のとるべきコンフォメーションに影響を与える。 活性部位にγ-リン酸が存在すると、Ser14残基の回転が起こる。 この変化によって、メチル化されたヒスチジン（HIC73）がシフトし、F-アクチン活性部位が変化し、D-ループのコンフォメーションが変化するのである。 HIC73は、結合したヌクレオチドの変化を構造変化に結びつけるための「センサーループ」、すなわち「スイッチ」に位置している。 ATP-アクチンやADP-パイアクチンでは、D-loopは非構造化されている。 F-アクチンのADP結合型では、単量体のD-ループにαヘリックスが共通して見られる。
αヘリックスはこのOdaモデルのF-アクチンでは観察されず、他のいくつかのF-アクチン研究でも見られないが、Odaらは、実験結果が、F-アクチン単量体ユニット間の相互作用セグメントとしての拡張無秩序鎖ではなく、モデルにおける拡張αヘリックスを導いた可能性があることを認めている。
Domains
(2zwh)
F-アクチンの単一ユニットの構造は、二つのドメインを持つ一つのポリペプチド鎖から生じている。 2つのドメインの間には、ATP加水分解の場であるヌクレオチド結合溝が観察される。 ドメインが動くことで、F-アクチンが開いたり閉じたりするコンフォメーションが可能になる。
ドメインの移動は、紫色で示した 、を中心に回転することによって可能となる。 Odaらによると、G-アクチンからF-アクチンへの移行時に、ドメイン2は20°傾いてドメイン1にフィットし、自由なG-アクチンよりも平坦なコンフォメーションになると考えられている。 この平坦化が、ATP加水分解の前なのか後なのかは定かでない。 Holmesはこのドメインの移動と扁平化の単純化したイメージを提供している。
Stability
F-アクチンの扁平化した折りたたみ型は、フリーの単量体のG-アクチン型とは異なる安定化機構を必要とする。 F-アクチン複合体の安定性はアルギニン206, 183, 177（紫）；グルタミン酸72（青）、アスパラギン酸187（緑）、179、4-メチルヒスチジン73（黄）が関わる一連の機構により達成されている。
一旦パイが放出されると、D-ループの構造変化によってF-アクチンフィラメントが「柔らかく」なる。 すなわち、ADP-アクチン単量体をより不安定にし、切断されやすくする
活性部位
アクチンフィラメントのプラス端にアクチンが結合すると、ATPase機能が活性化される。 G-からF-へのアクチンの構造変化は20°のシフトにより結合部位がより閉じられるため触媒活性を促進する。この構造変化はLeu110とThr194の対角サブドメイン相互作用により安定化される。 これらの構造変化の結果、アクチンはATP-Ca2+リガンドの近くに移動する。 Gln137は水分子を保持しており、ATPに近づけることでγ-リン酸の切断を可能にする。 無機リン酸の放出は、柔軟な「D-loop」が秩序あるα-helixに構造変化することによって起こる（このモデルでは実証されていないが）。 これらの機能は、必ずしも互いに排他的なものではありません。
f-actinの動的な機能は、細胞の移動に大きく関わっています。
細胞骨格
F-actinは真核生物の細胞骨格の中で最も豊富な成分です。 細い割に大きな引張強度を持つ。 構造成分として柔軟性が望ましくない場合、F-アクチンのポリマー間に架橋を形成して、より大きな剛性と支持力を与えることができる。
F-アクチン枝の伸長は、ラメラポディアルやフィロポディアルの伸長において、細胞膜を前方に押し出す現象につながる。 この過程は、G-アクチンとF-アクチンが存在する動的平衡状態に依存しており、膜伸長を推進するのは、前縁のアクチンユニットの継続的な重合であるためである。
アクチン-ミオシン
G-アクチンと比較してF-アクチンは比較的平らな形状をしているため、ミオシンはG-アクチンよりもF-アクチンに優先的に結合することができます。 つまり、G-アクチンではなくF-アクチンがアクチンの機能形態である。 Fアクチンは、ミオシンとともに細いフィラメントの大部分を構成し、筋収縮を与えている。 F-アクチンは、その構造から、筋収縮のような大きな力に対して大きな抵抗力をもっている。
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