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

🧠 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→cAMPcAMP（cyclic adenosine monophosphate）、PKB→PI3-キナーゼ産物+PDK1リン酸化、PKC→DAGDAG（diacylglycerol）+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。

💡 ヒトのキノーム（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） の総体）は518遺伝子である。 ヒトゲノムを網羅的にカタログ化した解析では、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） 遺伝子は518個（ほかに偽遺伝子 pseudogene 偽遺伝子（pseudogene） pseudogene（偽遺伝子） 106個）と同定され、そのうち244個が疾患座位または癌の増幅領域にマップされた¹。以下に挙げるPKA・PKB・PKC・Raf・TGFβ受容体IIは、この518個から代表を5つ抜き出したカタログであって、Ser/Thrキナーゼの全体ではない。

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 catalytic subunit 触媒サブユニット（catalytic subunit） catalytic subunit（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catalytic subunit 触媒サブユニット（catalytic subunit）catalytic subunit（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）：

1. 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DNADNA（deoxyribonucleic acid）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
2. 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
3. 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RNARNA（ribonucleic acid）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） ——具体的にはPI3-キナーゼがPIP2PIP2（phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate）をリン酸化して作るPIP3（PtdIns(3,4,5)P3）——に結合できる。PKBが細胞膜中のPIP3PIP3（phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate）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。PDK1自身も同じPIP3をPHドメインで捕まえて膜へ来る——PDK1はPtdIns(3,4,5)P3にKD 1.6 nM、PtdIns(3,4)P2にKD 5.2 nMで立体選択的 stereoselective 立体選択的（stereoselective） stereoselective（立体選択的） に結合する一方、PtdIns3PやPIP2への親和性は低く、PHドメインを壊すと形質膜 plasma membrane 形質膜（plasma membrane） plasma membrane（形質膜） 局在もPKBα活性化も大きく損なわれる²。

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 site ATP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

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。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自身は低分子（小分子）G-タンパク質ではない。 Rafの正体はこの節の主題どおり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） （MAP3キナーゼ）であり、GTP/GDPを結合して二状態スイッチとして働くタンパク質ではない。RafはGTP結合型Rasに結合する側＝Rasのエフェクターであって、Rasの仲間ではない。Ras結合ドメインを持つことと、自分がG-タンパク質であることは別である。

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（transforming growth factor β、トランスフォーミング増殖因子 growth factor 増殖因子（growth factor） growth factor（増殖因子） 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

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catalytic subunit 触媒サブユニット（catalytic subunit）catalytic subunit（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する——Ras結合ドメインを持つが、Raf自身はGTPaseではなくMAP3キナーゼである。TGFβ受容体II（transforming growth factor β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。
• これら5例はヒトの518個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） 遺伝子（キノーム）から代表を抜き出したものであり、PKB/PDK1の活性化を仲介 mediate 仲介（mediate） mediate（仲介） する脂質はPI3-キナーゼ産物のPIP3＝PtdIns(3,4,5)P3である。