中心対による運動性の制御
外部刺激に応じた運動性の変化は、2つの形態のいずれかを取ることができます。 バクテリアで起こるように、刺激によってランダムな再配向の頻度を変化させ、好ましい方向への運動が報われるようにするか、あるいは刺激によって運動性を直接制御し、生物が刺激に対して定められた方向（正のタクシーは刺激に向かい、負のタクシーは離れる）に回転するようにすることが可能である。 このような戦術的な旋回にはアンテナとして機能する局在受容体と方向制御が可能な運動装置が必要です（Foster and Smyth, 1980）。 単純な停止-方向転換-開始のタイプの制御では、運動性の高度な制御は必要ない。 鞭毛では、方向制御には波形と拍動周波数の協調的な変化が必要であり、したがって、より高度な制御装置が必要となる。 クラミドモナスで最もエレガントに示されたように、9+2繊毛や鞭毛では、中心対-放射状スポークシステムがその役割を果たす（図1D）。 この単細胞二鞭毛藻は、2本の鞭毛の相対的な波形、ストローク速度、およびビート周波数を変化させることにより、光刺激に応答する（Witman, 1993）。 光走性には、中心装置から放射状スポークを経て、二本鞭毛に関連する制御複合体へのシグナル伝達経路が関与しており、この複合体はダイニン関連タンパク質キナーゼおよびリン酸化酵素の変化を通じてダイニン活性、ひいては屈曲形成および伝播のパターンを変更することが、利用可能な証拠によって示されている（Porter and Sale, 2000; Smith and Yang, 2004）。
非対称の中心装置を形成する方法は複数あったかもしれないが、2本の微小管という最小限の足場上に構築されたものが最初に進化した可能性があり、原腸管に最低限の変更、主に移行帯に新しい組み立て開始部位を追加し、中心装置からの信号を二重に結合したダイニンに伝達する構造（ラディアル・スポーク）を必要とするだろう。 放射状スポークは、ダイニンが二重膜のシートで制御され、その基部で二重膜に関連したダイニン制御複合体と相互作用し、先端で別の二重膜の列や皮質の一重膜微小管細胞骨格にある微小管関連タンパク質と作用することから進化したものと想像される。 べん毛ダイニンが細胞質ダイニンから進化した可能性を考えると、これら2つのダイニンファミリーに共通の制御機構が知られていないことは、驚くべきことであるように思われる。 しかし、このことは、保存された機構がないというよりも、我々の現在の知識不足を反映しているのかもしれない。 クラミドモナスのダイニン制御複合体のタンパク質の最近の分子解析により、細胞質タンパク質と類似した一次構造が明らかになったが、細胞質ダイニンとの関係は確立されていない (Rupp and Porter, 2003)。
ダイニン活性に特定の変化をもたらす中央対微小管からの突起と放射状スポークの間の相互作用の特定のパターンの解明は、依然として大きなパズルである。 私たちの研究室では、正常な中心対の構造の解析、中心対形成不全変異体の特性、曲げ伝搬中の中心対の向きの決定などの最近の成果により、CPがダイニンを制御する方法についてのモデルが制約されている。 ここでは、これらの結果と矛盾しない中心対の制御の仮説を構築することを試みる。
クラミドモナスおよびテトラヒメナ軸糸のこれまでの薄切電子顕微鏡観察、およびテトラヒメナ繊毛（Chasey、1969）およびラット精子鞭毛（Olson and Linck、1977）の中心対複合体のネガティブ染色標本を用いて、中心対複合体が非対称構造であることを明らかにし、断面の突起が長く、32nm反復周期を持つものをC1、一方（C2）は16nm反復のみの短い突起であると定義しました。 野生型の中心対複合体とアセンブリ変異体pf6およびcpc1の中心対複合体の横方向および縦方向の薄切片を比較することにより、クラミドモナスのC1およびC2が関連するほとんどの突起の構造関係と繰り返し周期を決定した。 急速凍結したディープエッチング標本のステレオ画像から得られる表面図によって、これらの結論が確認、拡大され、中心対のかなり完全な3次元再構築が実現した（Mitchell, 2003a）。 これらの研究は、中央対の潜在的なスポーク相互作用部位のモデルを提供し、特に、隣接するスポーク頭部に向かっている微小管表面に沿って、それ以外は円筒形のCPの表面に不連続性があることを示すものである。 また、CP複合体の全体的な非対称性も強調されており、これはCP円筒の周囲の異なる半径位置でユニークなスポーク相互作用があることを示唆している。 pf6 (Rupp et al., 2001) と cpc1 (Mitchell and Sale, 1999; Zhang and Mitchell, 2004) 遺伝子のクローニングとその遺伝子産物の同定は、放射状スポークと相互作用するタンパク質の明白な候補を特定しなかったが、C2微小管上のキネシン様タンパク質 (Klp1) (Bernstein et al., 1994) はスポーク結合タンパク質として興味深い候補である。 Klp1をノックダウンした細胞では、鞭毛の振動数が劇的に減少することが最近明らかになった（Mitchell and Yokoyama, 2003）。
電子顕微鏡による研究により、ある生物ではCPは細胞体や外側の二重膜に対して一定の方向を保っているが、他の生物ではCPは変動した方向を持つことが明らかになった。 系統学的に見ると，固定された方向は，有櫛動物櫛板繊毛（Tamm and Tamm, 1981）や多くの後生動物精子（Sale, 1986）のような固定した曲面を持っている小器官に由来する単純化であるように思われる。 極端な例では、C1およびC2微小管は、永久リンク（修正スポーク、または付属構造物）によって、それぞれ8と3のダブレットに取り付けられている。 一方、単細胞生物の繊毛や鞭毛は、波形、ビート周波数、有効ストロークの向きを急速に変化させ、環境からの合図に応答するのに役立っている。 これらの小器官の繊毛はねじれており、周囲の9つのダブレットの中で基部から先端まで一定の向きを保っていない。 さらに、これらのねじれたCPは、曲げの伝搬中に回転する（Omoto et al.、1999）。 我々は最近、クラミドモナスのCPは各曲げ内では曲げ平面と平行に配向し（図1D）、連続する主曲げと逆曲げの間で180°ねじれており、C1微小管は常に各曲げの外側にあるダブレットに最も近いことを示した (Mitchell, 2003b). クラミドモナスでは、このように曲げに対するCPの向きが一定であるため、1組のCP突起が活性ダイニンを持つダブレットに取り付けられた放射状スポークと相互作用し、もう1組のCP突起が不活性ダイニンを持つダブレット上の放射状スポークと相互作用する。
クラミドモナスではビート包膜はほぼ平面的で、主曲線の向きは一定の平面から大きくは変わらないが、これは他の生物では当てはまらない。 もし、私が提案するように、これらの他の生物でもCPの向きがベンドの向きに従うのであれば、CPは常に柔軟な運動制御を行うように配置されていることになる。 私たちの最近の研究成果では、クラミドモナス鞭毛の基部に形成される曲げに対して、CPの向きが受動的に適合し、その後、曲げに依存した向きが基部から先端へと伝搬する際に移動することが示されている。 工学的な例としては、ウォームギアがある。ウォーム（中央の対）の回転は、歯車の歯車（軸索の曲がり）の直角方向の運動（曲がりの伝搬）に連動している。 したがって、主曲げの方向は、受動的に曲げに適合する中心対の向きでは決定できず、鞭毛基部の開始パターンを通して、外側の二重膜レベルで制御される必要がある。 そこで、CPからの制御信号が、発達・伝搬する屈曲部でのダイニンの活動パターンを直接制御することで、形状や拍動周波数を決定している可能性がある。 この仮説は、ウニ軸糸のビート面の振動による再配向の結果とも一致する（Shingyoji et al.、1991； Takahashi et al.） もし、振動によって引き起こされた新しい屈曲面が中心対の新しい向きを強制するのであれば、これらの細胞から課せられた振動を除去した後にシステムを緩和するには、中心対を徐々に回転させて安静時の位置に戻すことが必要であると思われる。 残念ながら、これらの実験では、実際のCPの配向に関する情報は得られなかった。 この仮説は、プロテアーゼ処理したクラミドモナス軸糸で観察された二重膜のスライドパターンが、中心対の配向と一定の関係を保っていることとも矛盾しない（Wargo and Smith, 2003; Wargo et al, また、クラミドモナス (Smith, 2002) やウニ (Yoshimura and Shingyoji, 1999; Nakano et al., 2003) の軸糸におけるダイニン活性の研究では、カルシウムおよび中心対に依存した活性変調が見られる。
これらの推測は、繊毛や鞭毛の進化についてどの程度の予測価値があるのだろうか。 まず、鞭毛の表面運動の発達は原始的であり、拍動しない繊毛の派生物であっても広く遭遇する可能性があると仮定した。 IFTは運動性、非運動性両方のオルガネラの組み立てに不可欠で普遍的な運動であることは明らかであり、この機構と細胞外運動との関連は同様に広く存在する可能性がある。 第二に、毛様体膜上の受容体の封鎖も原始的であり、運動性のない一次繊毛や感覚器のより高度に修飾された繊毛が存在し続けるための大きな選択圧となりそうである。 繊毛の派生物が多くの生物の感覚神経細胞で必須の機能を提供していることから、原腸もまたすべての感覚プロセスの祖先のプラットフォームを形成し、このオルガネラの追加の特徴が感覚伝達カスケードに共通している可能性を示唆するには、ほんの少し想像力を飛躍させる必要があるだけである。 第三に、細胞極性の指標として、また運動性細胞の移動方向の指標としての中心体の配向も、非常に原始的である。 もしそうなら、細胞極性および指向性移動の初期の決定因子としての原基の重要性は、細胞極性を決定する機構と、細胞質微小管配列とともに中心体／中心核を方向付ける機構の間のより多くのリンクを求めるべきことを示唆する。 最後に、中心対による繊毛と鞭毛の制御もまた、現存するすべての真核生物の系統が放射化される以前の、真核生物の進化の非常に早い時期に発達したに違いない。 これらの小器官が必要とする詳細な制御は、生物種や細胞種によって違いがあることは間違いないが、中心対と放射状スポークの相互作用がダイニン活性を制御する方法には、多くの普遍的特徴が見出せるはずで、軸糸と細胞質ダイニンモーターの制御にも共通のテーマが見出せるかもしれない
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