Molecular Cell Biology · 40
セリン/スレオニンタンパク質キナーゼの活性化機構と例
Activation mechanisms of serine / threonine protein-kinases with examples
🧠 Ser/Thrキナーゼは全て「ATPからリン酸基phosphate groupリン酸基（phosphate group）phosphate group（リン酸基）を標的タンパク質のOH基へ転移する」という同じ反応を触媒するが、活性化のトリガーは酵素ごとに異なるアロステリックallostericアロステリック（allosteric）allosteric（アロステリック）エフェクター（PKA→cAMP、PKB→PI3-キナーゼ産物+PDK1リン酸化、PKC→DAG+Ca²⁺、Raf→GTP結合Ras、TGFβ受容体II→リガンド直接結合）である。 つまりこのトピックは「1つの化学反応chemical reaction化学反応（chemical reaction）chemical reaction（化学反応）×5通りのスイッチの入れ方」というカタログとして理解するのが最も効率的。
プロテインキナーゼとは
プロテインキナーゼprotein kinaseプロテインキナーゼ（protein kinase）protein kinase（プロテインキナーゼ）とは、ATPからリン酸基phosphate groupリン酸基（phosphate group）phosphate group（リン酸基）を別の分子へ転移する反応を触媒する酵素である。セリン/スレオニンthreonineスレオニン（threonine）threonine（スレオニン）特異的プロテインキナーゼprotein kinaseプロテインキナーゼ（protein kinase）protein kinase（プロテインキナーゼ）は、標的タンパク質中のアミノ酸残基amino acid residueアミノ酸残基（amino acid residue）amino acid residue（アミノ酸残基）の側鎖にあるOH（ヒドロキシルhydroxylヒドロキシル（hydroxyl）hydroxyl（ヒドロキシル））基をATPの助けを借りてリン酸化し、ADPとリン酸化タンパク質を産生する。
タンパク質リン酸化の機能：
- タンパク質をON/OFFにする
- 他の酵素の基質としての指定
- タンパク質複合体形成の駆動
- 細胞内局在の調節
プロテインキナーゼA（PKA）
PKAは2つの調節サブユニットと2つの触媒サブユニットから構成される。PKAはcAMPによりアロステリックallostericアロステリック（allosteric）allosteric（アロステリック）に活性化される（コンフォメーション変化conformational changeコンフォメーション変化（conformational change）conformational change（コンフォメーション変化））——cAMPが調節サブユニットに結合し、触媒サブユニットの活性部位active site活性部位（active site）active site（活性部位）を「開放して露出させる」。
PKAは複数の異なる標的タンパク質をリン酸化でき、それによりタンパク質をON/OFFに切り替える。例：
- グリコーゲン合成酵素glycogen synthaseグリコーゲン合成酵素（glycogen synthase）glycogen synthase（グリコーゲン合成酵素）とピルビン酸キナーゼpyruvate kinaseピルビン酸キナーゼ（pyruvate kinase）pyruvate kinase（ピルビン酸キナーゼ）のリン酸化→不活性化
- ホスホリラーゼキナーゼphosphorylase kinaseホスホリラーゼキナーゼ（phosphorylase kinase）phosphorylase kinase（ホスホリラーゼキナーゼ）のリン酸化→活性化。活性化されたホスホリラーゼキナーゼphosphorylase kinaseホスホリラーゼキナーゼ（phosphorylase kinase）phosphorylase kinase（ホスホリラーゼキナーゼ）はさらにグリコーゲンホスホリラーゼglycogen phosphorylaseグリコーゲンホスホリラーゼ（glycogen phosphorylase）glycogen phosphorylase（グリコーゲンホスホリラーゼ）をリン酸化し、その活性化を引き起こす → キナーゼカスケード： 一連のプロテインキナーゼprotein kinaseプロテインキナーゼ（protein kinase）protein kinase（プロテインキナーゼ）が順次リン酸化されることで標的に到達する仕組み
PKAは転写も開始できる（これはリン酸化による複合体形成調節の一例）：
- 核内でPKAがCREBタンパク質（cAMP応答配列response element応答配列（response element）response element（応答配列）結合タンパク質）をリン酸化する——CREBはDNAのCRE（cAMP応答配列response element応答配列（response element）response element（応答配列））配列に結合する
- リン酸化されたCREBタンパク質がCBPタンパク質（CREB結合タンパク質）を動員する
- CBPはヒストンアセチル基転移酵素histone acetyltransferase (HAT)ヒストンアセチル基転移酵素（histone acetyltransferase (HAT)）histone acetyltransferase (HAT)（ヒストンアセチル基転移酵素）活性を示し、DNAをよりアクセス可能にする＋一般TFとRNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）が動員される→転写開始transcription initiation転写開始（transcription initiation）transcription initiation（転写開始）
（詳細な機序は41-camp-signaling-pathway-regulation-of-gene-expression-by-camp参照）
プロテインキナーゼB
PKBはPI-3キナーゼ（ホスホイノシチドphosphoinositideホスホイノシチド（phosphoinositide）phosphoinositide（ホスホイノシチド）3-キナーゼ）シグナル伝達経路signal transduction pathwayシグナル伝達経路（signal transduction pathway）signal transduction pathway（シグナル伝達経路）の一部であり、TFをリン酸化することで転写を調節する。PKBはPHドメインを持ち、これによりホスホイノシチドphosphoinositideホスホイノシチド（phosphoinositide）phosphoinositide（ホスホイノシチド）（例：PIP2の代謝産物metabolite代謝産物（metabolite）metabolite（代謝産物））に結合できる。PKBが細胞膜中のホスホイノシチドphosphoinositideホスホイノシチド（phosphoinositide）phosphoinositide（ホスホイノシチド）に結合すると、PDK1（3-ホスホイノシチドphosphoinositideホスホイノシチド（phosphoinositide）phosphoinositide（ホスホイノシチド）依存性プロテインキナーゼprotein kinaseプロテインキナーゼ（protein kinase）protein kinase（プロテインキナーゼ）-1）と接触するようになり、PDK1がPKBの特定のセリン/スレオニンthreonineスレオニン（threonine）threonine（スレオニン）残基をリン酸化し、活性化を引き起こす。
PKBはその後複数の経路をリン酸化し活性化/不活性化する。例：
- GSK3（グリコーゲン合成酵素キナーゼglycogen synthase kinase (GSK-3)グリコーゲン合成酵素キナーゼ（glycogen synthase kinase (GSK-3)）glycogen synthase kinase (GSK-3)（グリコーゲン合成酵素キナーゼ）3）はグリコーゲン合成酵素glycogen synthaseグリコーゲン合成酵素（glycogen synthase）glycogen synthase（グリコーゲン合成酵素）をリン酸化・阻害するプロテインキナーゼprotein kinaseプロテインキナーゼ（protein kinase）protein kinase（プロテインキナーゼ）であり、それによりグリコーゲン合成glycogen synthesisグリコーゲン合成（glycogen synthesis）glycogen synthesis（グリコーゲン合成）を阻害する。PKBはリン酸化によりGSK3を阻害し、インスリンへの応答としてグリコーゲン合成glycogen synthesisグリコーゲン合成（glycogen synthesis）glycogen synthesis（グリコーゲン合成）を活性状態active state活性状態（active state）active state（活性状態）に保つ
（PI3-キナーゼ経路kinase pathwayキナーゼ経路（kinase pathway）kinase pathway（キナーゼ経路）全体の詳細は42-phosphatidylinositol-signaling-pathways参照）
プロテインキナーゼC（PKC）
PKCは調節ドメインと触媒ドメインがヒンジ領域hinge regionヒンジ領域（hinge region）hinge region（ヒンジ領域）によって結合された構造を持つ。
- 調節ドメイン： DAG結合部位（C1）とCa²⁺センサー部位（C2）を含む。また偽基質部位——基質を模倣する小さなアミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）——を含み、これが触媒ドメインに結合する
- 触媒ドメイン： ATP結合部位ATP-binding siteATP結合部位（ATP-binding site）ATP-binding site（ATP結合部位）と基質結合部位substrate-binding site基質結合部位（substrate-binding site）substrate-binding site（基質結合部位）を含む
→ Ca²⁺とDAGが十分な濃度で存在すると、これらが調節ドメインに結合しPKCを形質膜plasma membrane形質膜（plasma membrane）plasma membrane（形質膜）へ転位させる。膜との相互作用の結果、偽基質が解離する→PKCの活性化 → 開いたコンフォメーションconformationコンフォメーション（conformation）conformation（コンフォメーション）のPKCが活性化状態であり、その基質（触媒部位catalytic site触媒部位（catalytic site）catalytic site（触媒部位））をリン酸化する → PKCはCa²⁺シグナルが持続する限り活性を保ち、活性化後に膜から解離する
PKCのサブファミリー
| サブファミリー | アイソフォームisoformアイソフォーム（isoform）isoform（アイソフォーム） | 活性化因子 |
|---|---|---|
| 古典的 | α、β、γ | DAG、Ca²⁺、リン脂質 |
| 新規 | δ、ε、η、θ | DAG、リン脂質 |
| 非定型 | λ、ι、ζ | リン脂質のみ |
Raf
MAP3キナーゼファミリーの一員であり、成長因子growth factor成長因子（growth factor）growth factor（成長因子）により活性化される。Raf自身は小分子G-タンパク質である。1つのRas結合ドメインを持ち、GTP結合型のRasタンパク質に結合するため、MAPKシグナル伝達経路signal transduction pathwayシグナル伝達経路（signal transduction pathway）signal transduction pathway（シグナル伝達経路）に関与する（39-types-and-functions-of-gtp-binding-proteins-in-signaling参照）。Rafはもう1つのドメインも持ち、これは脂質と相互作用できる特殊なジンクフィンガーzinc fingerジンクフィンガー（zinc finger）zinc finger（ジンクフィンガー）である。この2つのドメインが近接していることで単一のユニットとして働き、直接的な物理的相互作用によりプロテインキナーゼprotein kinaseプロテインキナーゼ（protein kinase）protein kinase（プロテインキナーゼ）ドメインを負に調節する（＝自己阻害autoinhibition自己阻害（autoinhibition）autoinhibition（自己阻害）ブロック）。この閉じたコンフォメーションconformationコンフォメーション（conformation）conformation（コンフォメーション）のRaf（自己阻害autoinhibition自己阻害（autoinhibition）autoinhibition（自己阻害）ブロックがキナーゼドメインkinase domainキナーゼドメイン（kinase domain）kinase domain（キナーゼドメイン）を阻害している状態）は、通常GTP結合型Rasへの結合によって開放・活性化される。
TGFβ受容体II
TGFβ（transformation growth factor β）は、2つのサブユニットを持つこのSer/Thr受容体に結合するリガンドである。リガンドはtype 2サブユニットに結合し、これが活性化されてtype 1サブユニットの特定のSer/Thr残基をリン酸化し、これがさらに残基をリン酸化することで下流エフェクターに作用する。
Ser/Thr特異的プロテインキナーゼの活性化因子まとめ
| キナーゼ | アロステリック活性化因子allosteric activatorアロステリック活性化因子（allosteric activator）allosteric activator（アロステリック活性化因子） |
|---|---|
| PKA | cAMP |
| PKG | cGMP |
| PKC | DAG（およびCa²⁺） |
| PDK1 | ホスファチジルイノシトールphosphatidylinositolホスファチジルイノシトール（phosphatidylinositol）phosphatidylinositol（ホスファチジルイノシトール）3-リン酸（PI(3)Px） |
| PKB（Akt） | PI(3)Px存在下でのPDK1によるリン酸化により活性化 |
| GSK3 | PKBによるリン酸化により不活性化 |
| カルシウム/カルモジュリンcalmodulinカルモジュリン（calmodulin）calmodulin（カルモジュリン）依存性プロテインキナーゼprotein kinaseプロテインキナーゼ（protein kinase）protein kinase（プロテインキナーゼ）II | Ca²⁺-カルモジュリンcalmodulinカルモジュリン（calmodulin）calmodulin（カルモジュリン）複合体によるアロステリック活性化allosteric activatorsアロステリック活性化（allosteric activators）allosteric activators（アロステリック活性化） |
| Raf | Ras（低分子GTPase）が活性化 |
| TGFβ受容体II | 細胞外リガンドが活性化 |
flowchart TD
A["ATP+Ser/Thr残基を持つ標的タンパク質"] --> B["Ser/Thrキナーゼが活性化因子により活性化される"]
B --> C["OH基がリン酸化されADP+リン酸化タンパク質を生成"]
C --> D["標的タンパク質のON/OFF、複合体形成、局在変化"]まとめ
- Ser/Thrプロテインキナーゼprotein kinaseプロテインキナーゼ（protein kinase）protein kinase（プロテインキナーゼ）は共通してATPのリン酸基phosphate groupリン酸基（phosphate group）phosphate group（リン酸基）を標的タンパク質のセリン/スレオニンthreonineスレオニン（threonine）threonine（スレオニン）側鎖のOH基へ転移するが、アロステリック活性化因子allosteric activatorアロステリック活性化因子（allosteric activator）allosteric activator（アロステリック活性化因子）はキナーゼごとに異なる。
- PKAはcAMPにより調節/触媒サブユニットが解離して活性化し、CREB/CBPを介した転写調節transcriptional regulation転写調節（transcriptional regulation）transcriptional regulation（転写調節）にも関与する。PKBはPI3-キナーゼ産物とPDK1によるリン酸化で活性化しGSK3などを阻害する。PKCはDAG+Ca²⁺により膜へ転位し偽基質の解離を通じて活性化する。
- Rafは低分子GTPase Rasへの結合により自己阻害autoinhibition自己阻害（autoinhibition）autoinhibition（自己阻害）ブロックが解除されて活性化し、TGFβ受容体IIは細胞外リガンドの直接結合により活性化するSer/Thrキナーゼ型受容体である。