自己リン酸化

自己リン酸化はタンパク質の翻訳後修飾の一種である。一般的にはキナーゼ自体のリン酸化と定義される。真核生物では、このプロセスはタンパク質キナーゼ内のセリン、スレオニン、またはチロシン残基にリン酸基を付加することによって起こり、通常は触媒活性を調節する。^{[3] [4]} 自己リン酸化は、キナーゼ自身の活性部位がリン酸化反応を触媒する場合（シス自己リン酸化）、または同じタイプの別のキナーゼが化学反応を行う活性部位を提供する場合（トランス自己リン酸化）に起こる可能性がある。後者はキナーゼ分子が二量体化する場合が多い。^[3]一般に、導入されるリン酸基はヌクレオシド三リン酸からのガンマリン酸であり、最も一般的にはATPである。^[3]

タンパク質キナーゼは、その多くが自己リン酸化によって制御されており、細胞の増殖、分化、代謝、移動、生存を制御する上で極めて重要である。 タンパク質キナーゼをコードする遺伝子や、その潜在的な活性化因子や抑制因子の変異は、生物内のさまざまな機能に影響を及ぼす可能性がある。^{[3] [4]リン酸化は}ホスファターゼ によって容易に逆転する。したがって、リン酸化はキナーゼ活性を「オン」または「オフ」にする効果的な方法である。このため、リン酸化は細胞シグナル伝達に不可欠なプロセスとして認識されている。^[3] 負に帯電したリン酸基の付加は、微小環境に変化をもたらし、他の残基または分子を引き付けたり反発したりすることにつながる可能性がある。^{[3] [4]}その結果、触媒またはアロステリックシートが表面から露出したり隠されたりする構造変化が生じる可能性がある。^[3] リン酸化残基が触媒座自体に存在する場合、電荷相互作用によって基質結合を促進したり妨げたり、分子認識に必要な相補的な形状を提供したり妨げたりすることによって基質結合を促進したり妨げたりする可能性がある。^[3]さらに、リン酸基は水素結合や塩橋の形成に潜在的な領域をいくつか生み出し、後者には一般にアルギニン残基が関与する。^{[3] [5]}

リン酸化残基がアロステリック部位の一部を形成する場合、エフェクター分子の結合も同様に影響を受ける可能性がある。^{[3]自己リン酸化は細胞のエンドサイトーシスおよび}タンパク質分解 能力にも影響を及ぼすことが報告されている。^[5]

キナーゼは、セリンおよび/またはスレオニン残基、またはチロシン残基のみでリン酸化される。^[5]これは、キナーゼを Ser/Thr キナーゼまたは Tyr キナーゼのいずれかに分類する手段となる。一次構造内のいくつかの残基が同時に自己リン酸化される可能性がある。リン酸受容体は、タンパク質構造内の「活性化ループ」と呼ばれるループ内に存在することが多い。^[3]自己リン酸化複合体の構造は、タンパク質キナーゼの結晶から知られており、結晶内の 1 つのモノマーのリン酸化部位 (Ser、Thr、または Tyr) が、既知のペプチド基質/キナーゼ構造に似た方法で、結晶の別のモノマーの活性部位に位置している。^[6]既知の構造には以下が含まれる。

• 膜近傍領域のチロシンリン酸化部位:
  • ヒト cKIT、Tyr568 (PDB: 1PKG) ^[7]
  • ヒトCSF1R、Tyr561（PDB: 3LCD、cKIT部位と相同）^{[6] [8]}
  • ヒトEPHA2、Tyr594（PDB: 4PDO、cKITとCSF1R部位の2残基後）^[6]
• キナーゼ挿入領域におけるチロシンリン酸化部位:
  • ヒトFGFR1、Tyr583（PDB: 3GQI）^[9]
  • ヒトFGFR3、Tyr577（PDB: 4K33、FGFR1部位と相同、^[6]ドメインインターフェースはFGFR1構造と同一）^[10]
• 活性化ループ内のチロシンリン酸化部位:
  • ヒトIGF1R、Tyr1165（PDB: 3D94）^[11]
  • ヒトIGF1R、Tyr1166（PDB: 3LVP）^{[6] [12]}
  • ヒトLCK、Tyr394（PDB: 2PL0、IGF1R Tyr1165部位と相同^[6]）^{[6] [13]}
• 活性化ループ内の Ser/Thrリン酸化部位:
  • ヒトPAK1、Thr423（PDB：3Q4Z、4O0R、4O0T、4P90、4ZLO、4ZY4、4ZY5、4ZY6、5DEY；4ZY4と4ZY5の構造は基質活性化ループの完全な座標を提供する^[6]）^{[6] [14] [15] [16] [17]}
  • ヒトIRAK4、Thr345（PDB：4U97、4U9A）^[18]
• NまたはC末端のSer/Thrリン酸化部位:
  • C.エレガンスCaMKII、C末端テール、Thr284（PDB：3KK8、3KK9）^[19]
  • ヒトCaMKII、C末端テール、Thr287（PDB: 2WEL、C. elegans部位と相同）^[20]
  • ヒトCLK2、N末端テール、Ser142（PDB: 3NR9）^[6]

一般的に、内部ループのリン酸化の構造には、部位特異的変異誘発によって確認された重要なドメイン間接触が関与しているが、キナーゼドメインから10アミノ酸以上離れたN末端またはC末端の位置のリン酸化には、基質結合部位から離れた重要なドメイン間接触は関与していない。^[6]

さまざまな分子の中でも、受容体チロシンキナーゼ（RTK）は、さまざまなシグナル伝達経路を通じてシグナルを伝達する上で重要な役割を果たします。すべてのRTKは、細胞外リガンド結合領域、単一の膜貫通ヘリックス、および細胞質領域（チロシンキナーゼドメイン）で構成されています。リガンド刺激を受ける前は、ほとんどのRTKは細胞表面に単量体として存在します。細胞外ドメインへのリガンド結合は二量体化を誘導します。RTKの二量体化は、二量体の触媒コアのチロシンの自己リン酸化につながり、最終的にチロシンキナーゼ活性と細胞シグナル伝達が刺激されます。 [21]したがって、これはトランス自己リン酸化反応の例であり、二量体の1つの受容体サブユニットが他のサブユニットをリン酸化します。^{[ 22]}

自己リン酸化を受けるRTKの例としては、上皮成長因子受容体（EGFR）が挙げられます。EGFRは、最初に発見されたRTKの例です。リガンド結合後、EGFRモノマーの構造変化が起こります。これにより、EGFR二量体化が起こります。^[21]二量体化により、2つの受容体が近接します。これにより、EGFRのキナーゼ活性が刺激され、分子のC末端にある複数のチロシン残基のトランス自己リン酸化が起こります。リン酸化チロシン残基は、下流のシグナル伝達タンパク質のドッキング部位として機能します。^[21]（図1）。

もう一つの例は、インスリンのインスリン受容体への結合です。血流に放出されたインスリンは、筋肉やその他の組織の細胞表面にある受容体に結合することができます。この受容体は、(αβ)2四次構造を持つタンパク質です。2 つの大きな α サブユニットは細胞外にあり、小さな β サブユニットは膜貫通ドメインと細胞外ドメインおよび細胞内ドメインを持っています。インスリンがない場合、β サブユニットの 2 つの細胞内ドメインは比較的離れています。インスリンとの結合は、受容体の構造変化を引き起こし、それらを近づけます。各 β サブユニット細胞内ドメインは、受容体内のパートナーをリン酸化させるチロシンキナーゼです。^[3]

Src ファミリーキナーゼは、自己リン酸化を利用して活性状態を維持するタンパク質の例です。^[3] Src キナーゼは、細胞の成長と細胞接着強度に影響を与える細胞内シグナル伝達経路に関与しています。後者は細胞移動の制御に寄与します。このように、src キナーゼの調節解除は、腫瘍の成長と癌細胞の浸潤能を高めることができます。^{[2] src キナーゼの活性は、リン酸化と、} SH2およびSH3ドメインを含む分子内相互作用の両方によって制御されます。癌における src キナーゼの活性化メカニズムは、次のとおりです。

• 1. srcキナーゼは、SH2がリン酸化チロシンに結合することで不活性型に保たれる。
• 2. tyr-527 の脱リン酸化により、SH2 ドメインと SH3 ドメインが解放されます。
• 3. その後の Tyr-416 の自己リン酸化によりキナーゼが活性化されます。
• 4. 癌で観察されるsrcキナーゼの恒常的活性化は、tyr-527の欠失、常に自己リン酸化されているtyr-416を持つ高親和性リガンドによるSH3およびSH2媒介相互作用の置換によるものと考えられる。^[2]（図2）。

ATM キナーゼは、セリン/スレオニンキナーゼのPI3様ファミリーのメンバーであり、すべての生物の生存にとって根本的に重要なゲノムの安定性を維持する上で重要な役割を果たします。これは、P53、MDM2、chk2などの標的タンパク質をリン酸化することによって効果を発揮します。 ATM の活性化は自己リン酸化によって促進されます。不活性 ATM は二量体として存在し、一方のモノマーのキナーゼドメインは、ser-1981 を含むもう一方のモノマーの内部ドメインに結合しています。したがって、細胞基質にはアクセスできません。 DNA 損傷に反応して、一方のモノマーのキナーゼドメインが、相互作用するもう一方の ATM の ser-1981 をリン酸化します。その結果、サブユニットが解離して ATM が活性化されます。活性化された ATM は、細胞周期停止を含む一連のイベントをトリガーし、損傷した DNA の修復のための時間を確保します。損傷したDNAが修復されずに放置されると、細胞死やゲノム不安定性、癌やその他の病状につながる可能性があります。^[23]

• リン酸化
• キナーゼ