微小管とアクチンフィラメントの構造と機能
微小管の基本構造とチュブリン重合機構
微小管は、α-チューブリンとβ-チューブリンからなるヘテロ二量体が縦方向に重合して形成される中空の管状構造体です 。直径は約25nmで、3種類の細胞骨格の中で最も太い構造を持ちます 。微小管は通常13個のプロトフィラメントで構成され、構造的に非対称なプラス端とマイナス端を有します 。
この二量体構造は、GTP（グアノシン三リン酸）の結合状態に依存して重合と脱重合を繰り返す動的不安定性を示します 。プラス端では活発な重合が生じる一方、マイナス端では主に脱重合が起こり、この極性により方向性のある物質輸送が可能となります 。
参考）プレスリリース
微小管の重合過程では、α/β-チューブリン二量体が同じ向きに直列に配列してプロトフィラメントを形成し、プロトフィラメント間の横方向相互作用により管構造が完成します 。この構造は非常に動的で、細胞の需要に応じて瞬時に再編成されます。
アクチンフィラメントの分子構造と重合制御
アクチンフィラメントは、グロブラーアクチン（G-アクチン）と呼ばれる単量体が重合したフィラメント状アクチン（F-アクチン）で構成されています 。直径約7nmと細胞骨格の中で最も細い繊維で、ATP型のG-アクチンがK⁺、Mg²⁺存在下で重合します 。
参考）細胞骨格 – 脳科学辞典
重合したF-アクチンは、サブユニットがらせん状にピッチ13.5個並んだ二重らせん構造を形成します 。微小管と同様に極性を有し、細胞膜に付着する側が＋端となります 。ATP加水分解は線維の伸長には必須ではありませんが、重合後にゆっくりと進行し、フィラメント内のアクチンはADP型のF-アクチンとなります。
アクチンフィラメントの重合は、多数の制御タンパク質により精密に調節されます。サイトカラシンなどの天然化合物がアクチンの会合を阻害することで、細胞運動の研究に活用されています 。このような制御機構により、細胞は状況に応じてアクチン構造を動的に再編成できます。
微小管による細胞内物質輸送システム
微小管は細胞内の輸送網として機能し、キネシンやダイニンなどのモータータンパク質と協働して細胞小器官や小胞の方向性輸送を担います 。微小管ネットワークは中心体から放射状に伸びる構造を形成し、細胞周辺に向かってレールのような役割を果たします 。
参考）細胞骨格解析試薬｜細胞解析｜【ライフサイエンス】｜試薬-富士…
神経細胞では、軸索内の物質輸送に微小管が必須の役割を担っており、この機能の障害は神経変性疾患の病因となります 。パーキンソン病では微小管の組み立てと安定性が損なわれ、アルツハイマー病では微小管安定化タンパク質であるタウの機能不全が病理を引き起こします 。
細胞分裂時には、微小管が紡錘体を形成し、複製された染色体を正確に娘細胞に分配する重要な役割を担います 。この過程では、微小管の動的不安定性が染色体の捕捉と移動に利用されます。
アクチンフィラメントの多様な細胞機能
アクチンフィラメントは、細胞の形状維持、運動、分裂において中心的な役割を果たします 。細胞膜直下に形成される皮質アクチンは細胞の機械的強度を提供し、特定の形状を保持します。また、フィロポディア（糸状仮足）やラメリポディア（葉状仮足）など、多様なアクチン構造を形成して細胞運動を制御します 。
参考）アクチンフィラメントの役割と構造：細胞骨格の基本を学ぶ
細胞分裂では、アクチンとミオシンの相互作用により収縮リングが形成され、細胞質分裂を実行します 。この過程は、サイトカラシンによる阻害実験で証明されており、核分裂は正常に進行するものの細胞質の分割が阻害されます 。
神経系では、アクチンフィラメントが神経前駆細胞の先導突起伸長や神経軸索の成長に関与します 。これらの機能は、Rhoファミリー低分子量Gタンパク質を介した細胞内情報伝達により時空間特異的に制御されています。
微小管とアクチンフィラメントの臨床応用と治療標的
細胞骨格は多くの疾患の治療標的として注目されています。微小管を標的とする抗がん薬は、がん細胞の分裂を阻害することで治療効果を発揮します 。エリブリンなどの微小管阻害剤は、チュブリンの重合を阻害してがん細胞の増殖を抑制します 。
参考）https://www.jstage.jst.go.jp/article/faruawpsj/55/10/55_954/_pdf/-char/ja
しかし、微小管標的薬物の長期投与は末梢神経障害などの副作用を引き起こします 。これは微小管が神経細胞の軸索内物質輸送に必須であるためで、新たな治療戦略の開発が求められています。
骨格筋疾患では、アクチンフィラメント関連遺伝子の変異が病因となります 。α-アクチニン2遺伝子変異によるコアミオパチーでは、変異により構造が不安定化し筋繊維の機能障害を引き起こします。再生医療の分野では、細胞外基質を用いた筋芽細胞移植により、損傷のない骨格筋でも筋量増加が可能であることが示されています 。