SMCタンパク質

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SMCタンパク質（えすえむしいたんぱくしつ：SMC proteins）とは、染色体の高次構造と機能の制御に関わるATPアーゼファミリー、あるいはそれに属するタンパク質の総称[1][2][3][4]。SMC は、染色体構造維持（Structural Maintenance of Chromosomes）の略。コンデンシンやコヒーシンなど巨大なタンパク質複合体のATPaseサブユニットとして働く。

分類[編集]

真核生物型[編集]

真核生物の SMC タンパク質は、6つのサブファミリー（SMC1- SMC6）に分類され、常にヘテロ2量体を形成する。例えば、SMC1[5]とSMC3[6][7]のペアは姉妹染色分体の接着に関わるコヒーシン複合体のコアサブユニットを構成し、SMC2とSMC4[8][9]のペアは染色体凝縮に関わるコンデンシン複合体の一部として機能する。残りの SMC5とSMC6[10]はDNA修復と染色体分離に関与する。SMC1-SMC3、SMC2-SMC4、SMC5-SMC6というパートナーの組み合わせは極めて特異的に決定されており、これまでに例外は報告されていない。一次構造は、SMC1とSMC4の間、SMC2とSMC3の間の類似性が高く、SMC5とSMC6はこれら4つとはやや離れた位置にある[11]。

これら6種に加えて、脊椎動物では減数分裂期に特異的に発現するSMC1のパラログ（SMC1β）[12]、線虫では遺伝子量補償に関わるSMC4のパラログ（DPY-27）[13]が知られている。

サブファミリー 複合体 出芽酵母 分裂酵母 線虫 ショウジョウバエ 脊椎動物
SMC1α コヒーシン複合体 Smc1 Psm1 SMC-1 DmSmc1 SMC1α
SMC2 コンデンシン複合体 Smc2 Cut14 MIX-1 DmSmc2 CAP-E/SMC2
SMC3 コヒーシン複合体 Smc3 Psm3 SMC-3 DmSmc3 SMC3
SMC4 コンデンシン複合体 Smc4 Cut3 SMC-4 DmSmc4 CAP-C/SMC4
SMC5 SMC5-6複合体 Smc5 Smc5 C27A2.1 CG32438 SMC5
SMC6 SMC5-6複合体 Smc6 Smc6/Rad18 C23H4.6, F54D5.14 CG5524 SMC6
SMC1β コヒーシン（減数分裂型） - - - - SMC1β
SMC4 variant 遺伝子量補償複合体 - - DPY-27 - -

原核生物型[編集]

SMCタンパク質の進化的起源は古く、真正細菌や古細菌にまで広く保存されている[14]。ガンマ・プロテオバクテリア（γ-proteobacteria）と呼ばれる一部の真正細菌（大腸菌を含む）では、MukBと呼ばれる類似のタンパク質が SMC の機能を代行している[15]。原核生物型のSMC/MukBはホモ2量体を形成し、さらにいくつかの制御サブユニットと結合することにより、コンデンシン様の働きをもつタンパク質複合体（SMC-ScpABおよびMukBEF）を構築する。

SMCに類似するタンパク質[編集]

広義には、真核生物のRad50[16]や原核生物のSbcC[17], RecF[18], RecN[19]をSMCタンパク質に含める場合もある。

分子構造と活性[編集]

SMC2量体の構造

SMC タンパク質は、1,000-1,500アミノ酸残基からなる。 常に2量体（原核生物ではホモ2量体、真核生物ではヘテロ2量体）を形成し、特徴的なV字型構造をつくる[20][21]。個々のSMCサブユニットは、まず反平行のコイルドコイルによって折り畳まれ、長い棒状の形態をとる。この際、一方の末端には ATP 結合部位（"ヘッド"）が、もう一方の末端には"ヒンジ"が形成される。2つのSMCサブユニットはヒンジを介して結合し、V字型の巨大な2量体を構築する[22][23]。反平行のコイルドコイルによって形成される腕部の長さは、~50 nmにも達する（これは2重鎖DNA~150 bpに相当する長さである）。同程度あるいはそれ以上の長さをもつ「平行」のコイルドコイルはミオシンやキネシン等のモータータンパク質によくみられるが、これだけ長い「反平行」のコイルドコイルをもつものはSMCタンパク質以外に知られていない。

SMC ヘッドドメインは、ABC輸送体や DNA修復タンパク質 Rad50 のATP結合部位と構造上の共通点を有する。このクラスの ATP 結合ドメイン（ATP結合カセット; ATP-binding cassette [ABC]）では、Walker AモチーフとWalker Bモチーフに加えて、signatureモチーフ（別名C motif）と呼ばれる特有の配列が高度に保存されている。ATP結合と加水分解のサイクルは、2つのヘッドドメインの会合と解離のサイクルとカップルし、その結果としてV字型構造の開閉を制御する。こうした SMC 2量体の構造変換が制御サブユニット（kleisinサブユニットやHEATリピートサブユニット]）およびDNAとのダイナミックな相互作用を制御すると考えられているが、その詳細はまだ明らかではない[24][25]。

関連項目[編集]

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引用文献[編集]

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  1. ^ Nasmyth K, Haering CH (2005). “The structure and function of SMC and kleisin complexes”. Annu. Rev. Biochem. 74: 595-648. PMID 15952899. 
  2. ^ Losada A, Hirano T (2005). “Dynamic molecular linkers of the genome: the first decade of SMC proteins”. Genes Dev. 19 (11): 1269-1287. PMID 15937217. 
  3. ^ Jeppsson K, Kanno T, Shirahige K, Sjögren C (2014). “The maintenance of chromosome structure: positioning and functioning of SMC complexes”. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 15: 601-614. PMID 25145851. 
  4. ^ Uhlmann F (2016). “SMC complexes: from DNA to chromosomes”. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 17: 399-412. PMID 27075410. 
  5. ^ Strunnikov AV, Larionov VL, Koshland D (1993). “SMC1: an essential yeast gene encoding a putative head-rod-tail protein is required for nuclear division and defines a new ubiquitous protein family”. J. Cell Biol. 123 (6 Pt 2): 1635-1648. PMID 8276886. 
  6. ^ Michaelis C, Ciosk R, Nasmyth K (1997). “Cohesins: chromosomal proteins that prevent premature separation of sister chromatids”. Cell 91 (1): 35-45. PMID 9335333. 
  7. ^ Losada A, Hirano M, Hirano T (1998). “Identification of Xenopus SMC protein complexes required for sister chromatid cohesion”. Genes Dev. 12 (13): 1986-1997. PMID 9649503. 
  8. ^ Hirano T, Mitchison TJ (1994). “A heterodimeric coiled-coil protein required for mitotic chromosome condensation in vitro”. Cell 79 (3): 449-458. PMID 7954811. 
  9. ^ Saka Y, Sutani T, Yamashita Y, Saitoh S, Takeuchi M, Nakaseko Y, Yanagida M (1994). “Fission yeast cut3 and cut14, members of a ubiquitous protein family, are required for chromosome condensation and segregation in mitosis”. EMBO J. 13 (20): 4938-4952. PMID 7957061. 
  10. ^ Lehmann AR, Walicka M, Griffiths DJ, Murray JM, Watts FZ, McCready S, Carr AM (1995). “The rad18 gene of Schizosaccharomyces pombe defines a new subgroup of the SMC superfamily involved in DNA repair”. Mol. Cell. Biol. 15 (12): 7067-7080. PMID 8524274. 
  11. ^ Cobbe N, Heck MM (2004). “The evolution of SMC proteins: phylogenetic analysis and structural implications”. Mol. Biol. Evol. 21 (2): 332-347. PMID 14660695. 
  12. ^ Revenkova E, Eijpe M, Heyting C, Gross B, Jessberger R (2001). “Novel meiosis-specific isoform of mammalian SMC1”. Mol. Cell. Biol. 21 (20): 6984-6998. PMID 11564881. 
  13. ^ Chuang PT, Albertson DG, Meyer BJ (1994). “DPY-27:a chromosome condensation protein homolog that regulates C. elegans dosage compensation through association with the X chromosome”. Cell 79 (3): 459-474. PMID 7954812. 
  14. ^ Britton RA, Lin DC, Grossman AD (1998). “Characterization of a prokaryotic SMC protein involved in chromosome partitioning”. Genes Dev. 12 (9): 1254-1259. PMID 9573042. 
  15. ^ Niki H, Jaffé A, Imamura R, Ogura T, Hiraga S (1991). “The new gene mukB codes for a 177 kd protein with coiled-coil domains involved in chromosome partitioning of E. coli”. EMBO J. 10 (1): 183-193. PMID 1989883. 
  16. ^ Hopfner KP, Karcher A, Shin DS, Craig L, Arthur LM, Carney JP, Tainer JA (2000). “Structural biology of Rad50 ATPase: ATP-driven conformational control in DNA double-strand break repair and the ABC-ATPase superfamily”. Cell 101 (7): 789-800. PMID 10892749. 
  17. ^ Connelly JC, Kirkham LA, Leach DR (1998). “The SbcCD nuclease of Escherichia coli is a structural maintenance of chromosomes (SMC) family protein that cleaves hairpin DNA”. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 95 (14): 7969-7974. PMID 9653124. 
  18. ^ Michel-Marks E, Courcelle CT, Korolev S, Courcelle J (2010). “ATP binding, ATP hydrolysis, and protein dimerization are required for RecF to catalyze an early step in the processing and recovery of replication forks disrupted by DNA damage”. J. Mol. Biol. 401 (4): 579-589. PMID 20558179. 
  19. ^ Pellegrino S, Radzimanowski J, de Sanctis D, Boeri Erba E, McSweeney S, Timmins J (2012). “Structural and functional characterization of an SMC-like protein RecN: new insights into double-strand break repair”. Structure 20 (12): 2076-2089. PMID 23085075. 
  20. ^ Melby TE, Ciampaglio CN, Briscoe G, Erickson HP (1998). “The symmetrical structure of structural maintenance of chromosomes (SMC) and MukB proteins: long, antiparallel coiled coils, folded at a flexible hinge”. J. Cell Biol. 142 (6): 1595-1604. PMID 9744887. 
  21. ^ Anderson DE, Losada A, Erickson HP, Hirano T (2002). “Condensin and cohesin display different arm conformations with characteristic hinge angles”. J. Cell Biol. 156 (6): 419-424. PMID 11815634. 
  22. ^ Haering CH, Löwe J, Hochwagen A, Nasmyth K (2002). “Molecular architecture of SMC proteins and the yeast cohesin complex”. Mol. Cell 9 (4): 773-788. PMID 11983169. 
  23. ^ Hirano M, Hirano T (2002). “Hinge-mediated dimerization of SMC protein is essential for its dynamic interaction with DNA”. EMBO J. 21 (21): 5733-5744. PMID 12411491. 
  24. ^ Hirano M, Hirano T (2006). “Opening closed arms: long-distance activation of SMC ATPase by hinge-DNA interactions”. Mol. Cell 21 (2): 175-183. PMID 16427008. 
  25. ^ Soh Y, Bürmann F, Shin H, Oda T, Jin KS, Toseland CP, Kim C, Lee H, Kim SJ, Kong M, Durand-Diebold M, Kim Y, Kim HM, Lee NK, Sato M, Oh B, Gruber S (2015). “Molecular basis for SMC rod formation and its dissolution upon DNA binding”. Mol. Cell 57 (2): 290-303. PMID 25557547. 

参考図書[編集]

  • B. Alberts他 著（中村桂子・松原謙一 監訳）『細胞の分子生物学 第6版』ニュートンプレス、2017年。 
  • B. Alberts他 著（中村桂子・松原謙一 監訳）『Essential 細胞生物学 原書第4版』南江堂、2016年。 
  • D. Morgan 著（中山敬一・啓子 翻訳）『カラー図説 細胞周期』メディカルサイエンスインターナショナル、2008年。 
  • 平野達也 企画（実験医学 特集）『フレミングが夢見た染色体の核心：コンデンシン・コヒーシンの発見から16年』羊土社、2013年。 
  • 平岡泰・原口徳子 編『染色体と細胞核のダイナミクス』化学同人、2013年。 

　

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