Ca2+/カルモジュリン依存性タンパク質キナーゼII

カルシウム/カルモジュリン依存性タンパク質キナーゼII関連ドメイン
カルシウム/カルモジュリン依存性タンパク質キナーゼの結晶構造
識別子
シンボル	カルシウムキレート
パム	PF08332
ファム一族	CL0051
インタープロ	著作権
利用可能なタンパク質構造: パム   構造 / ECOD   ＰＤＢ RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBサム 構造の概要

カナダ^2歳以上
/カルモジュリン依存性タンパク質キナーゼII（CaMキナーゼIIまたはCaMKII）は、Caによって制御されるセリン/スレオニン特異的タンパク質キナーゼです。^2歳以上
/カルモジュリン複合体。CaMKIIは多くのシグナル伝達カスケードに関与しており、学習と記憶の重要な媒介物であると考えられている。^{[1] CaMKIIは}Ca にも必要である。^2歳以上
心筋細胞における恒常性と再取り込み、^[2]上皮 における塩化物輸送、^[3] 陽性T細胞選択、^[4] CD8 T細胞の活性化、^[5]

CaMKIIの調節異常はアルツハイマー病、アンジェルマン症候群、不整脈と関連している。^[6]

CaM キナーゼには 2 つの種類があります。

• ミオシンをリン酸化して平滑筋の収縮を引き起こすミオシン軽鎖キナーゼなどの特殊な CaM キナーゼ。
• 多機能 CaM キナーゼは総称してCaM キナーゼ IIとも呼ばれ、神経伝達物質の分泌、転写因子の調節、グリコーゲン代謝に役割を果たします。

CaMKIIは脳内の全タンパク質の1～2％を占め、^{[7] [8]} 28種類のアイソフォームが存在します。アイソフォームはα、β、γ、δ遺伝子に由来します。

CaMKIIのすべてのアイソフォームには、触媒ドメイン、自己阻害ドメイン、可変セグメント、および自己会合ドメインがあります。^[9]

触媒ドメインには、 ATPや他の基質アンカータンパク質の結合部位がいくつかある。ATPから基質のSerまたはThr残基へのリン酸の転移を担う。自己阻害ドメインには擬似基質部位があり、触媒ドメインに結合してタンパク質をリン酸化することを阻害する。^[10]

この自己阻害を制御する構造的特徴は、トレオニン 286 残基です。この部位のリン酸化により、CaMKII 酵素が永久的に活性化されます。トレオニン 286 残基がリン酸化されると、阻害ドメインは擬似基質部位からブロックされます。これにより、自己阻害が効果的にブロックされ、CaMKII 酵素の永久的な活性化が可能になります。これにより、カルシウムとカルモジュリンが存在しない場合でも、CamKII が活性化されます。^[11]

CaMKIIの他の2つのドメインは可変ドメインと自己会合ドメインである。これらのドメインの違いが、さまざまなCaMKIIアイソフォームに寄与している。^[12]

自己会合ドメイン（CaMKII AD）はC末端に存在し、このドメインの機能は単一のタンパク質を大きな（8〜14サブユニット）多量体に組み立てることである^[13]

CaMKII 酵素のカルシウムとカルモジュリンに対する感受性は、可変ドメインと自己会合ドメインによって制御されます。CaMKII のこの感受性レベルは、酵素のさまざまな活性化状態も調整します。最初は酵素が活性化されますが、隣接するサブユニットに結合するのに十分なカルシウムやカルモジュリンが存在しないため、自己リン酸化は起こりません。カルシウムとカルモジュリンの蓄積量が増えると、自己リン酸化が起こり、CaMKII 酵素は短期間で持続的に活性化されます。しかし、最終的にトレオニン 286 残基は脱リン酸化され、CaMKII は不活性化されます。^{[14] [15]}

自己リン酸化は、キナーゼがリン酸基を自身に付加するプロセスである。CaMKII が自己リン酸化されると、CaMKII は持続的に活性化する。スレオニン 286 部位のリン酸化により、触媒ドメインが活性化される。ホロ酵素は 2 つのリングが積み重なって存在するため、自己リン酸化はホロ酵素の構造によって促進される。これらの隣接リングが近接しているため、隣接する CaMKII 酵素のリン酸化の可能性が高まり、自己リン酸化が促進される。^[16]自己リン酸化を促進するメカニズムは、PP1 (タンパク質ホスファターゼ I)の阻害を特徴とする。これにより、CaMKII は自己リン酸化の可能性が高まり、常に活性化される。^[17]

カルシウム/カルモジュリン依存性タンパク質キナーゼ II は、長期増強(LTP) にも深く関与しています。これは、記憶のプロセスの基礎となると考えられている、活性シナプスを強化する分子プロセスです。このプロセスの多くの側面に関与しています。LTP は、NMDA受容体が、チャネル孔から正に帯電した Mg ²⁺イオンを置換するのに十分な高い電位を持つ局所環境にあるときに開始されます。チャネルがブロック解除された結果、Ca ²⁺イオンは NMDA 受容体チャネルを介してシナプス後ニューロンに入ることができます。この Ca ^{2+流入は CaMKII を活性化します。LTP}誘導後、樹状突起のシナプス後密度で直接 CaMKII 活性が増加することが示されており、活性化は刺激の直接的な結果であることを示唆しています。^{[18] [19]}

マウスでα-CaMKIIがノックアウトされると、LTPは50％減少します。これは、β-CaMKIIがCaMKII活性の約65％を担っているという事実によって説明できます。^{[20] [21]} CaMKIIが活性を維持できないように変更すると、LTPは完全にブロックされます。^{[2] [22]} LTP誘導後、CaMKIIはシナプス後肥厚部（PSD）に移動する。しかし、刺激がLTPを誘導しない場合は、転座はすぐに可逆的です。PSDに結合すると、CaMKIIが脱リン酸化されにくくなるように変化します。CaMKIIは、CaMKIIの脱リン酸化を担うタンパク質ホスファターゼ2A（PP2A）の基質から、タンパク質ホスファターゼ1の基質に変換されます。Strack, S.（1997）^[18]は、化学的に海馬切片を刺激することによってこの現象を実証しました。この実験は、CaMKIIがシナプス強度の強化に寄与していることを示しています。Sanhuezaら^[23]は、 CaMKIIの持続的な活性化がLTPの維持に必要であることを発見しました。彼女は海馬切片でLTPを誘導し、CaMKIIが活性化し続けるのを防ぐために拮抗薬（CaMKIINtide）を実験的に適用しました。CaMKIINtideを適用した切片では、薬剤注入後に正規化EPSP勾配が減少し、誘導されたLTPが元に戻ったことを意味しました。対照では正規化EPSP勾配は一定のままでした。CaMKIIは、LTP確立後もLTP維持プロセスに関与し続けています。CaMKIIはカルシウム/カルモジュリンによって活性化されますが、自己リン酸化によって維持されます。CaMKIIは、LTP誘導中に起こるNMDA受容体を介したカルシウム上昇によって活性化されます。活性化は、αサブユニットとβサブユニットの両方とThr286/287のリン酸化を伴います。

LTPはCaMKIIを人工的に注入することで誘発することができます。CaMKIIを海馬スライスのシナプス後に注入し、細胞内灌流またはウイルス発現を行うと、グルタミン酸やその他の化学信号に対するシナプスの反応が2～3倍に増加します。^{[24] [25]}

CaMKII が活性化されると、CaMKII はAMPA受容体を膜に、そして樹状突起の PSD に輸送する役割を果たすという強力な証拠があります。AMPA 受容体の動きはシナプスを強化することでシナプス前脱分極に対するシナプス後反応を増加させます。これにより LTP が生成されます。

メカニズム的には、CaMKIIはAMPA受容体をP2セリン831部位でリン酸化します。これによりAMPA受容体のGluA1サブユニットのチャネル伝導性が増加し、^[26] LTP中にAMPA受容体が通常よりも敏感になります。AMPA受容体の感受性が増加すると、シナプス強度が増加します。

CaMKII は、GluA1 サブユニットのチャネル伝導性を高めるだけでなく、AMPA 受容体のエキソサイトーシスのプロセスにも役立つことが示されています。予備の AMPA 受容体は細胞内のエンドソームに埋め込まれています。CaMKII はエンドソームを刺激して外膜に移動し、埋め込まれた AMPA 受容体を活性化することができます。^[27]エンドソームのエキソサイトーシスにより、シナプス内の AMPA 受容体が拡大し、数が増加します。AMPA 受容体の数が増えると、シナプスのシナプス前脱分極に対する感受性が高まり、LTP が生成されます。

CaMKIIはLTPの確立を助けるだけでなく、LTPの維持にも重要であることが示されています。CaMKIIの自己リン酸化能力は、この維持に重要な役割を果たしていると考えられています。特定のCaMKII阻害剤の投与は、LTPを阻害するだけでなく、時間依存的にLTPを逆転させることも示されています。^[28]

LTP は学習と記憶のプロセスの基礎となると考えられているため、CaMKII も記憶の形成に不可欠です。遺伝子操作されたマウスを使った行動研究では、CaMKII の重要性が実証されています。

1998年、ギースとその同僚は、CaMKIIの自己リン酸化を防ぐように遺伝子操作されたノックアウトマウスを研究した。彼らは、マウスがモリス水迷路課題で隠されたプラットフォームを見つけるのに苦労していることを観察した。モリス水迷路課題は、海馬依存の空間学習を表すためによく使用される。マウスが隠されたプラットフォームを見つけることができないことは、空間学習の欠陥を意味する。^[17]

しかし、記憶形成障害は遺伝子変異に起因する感覚運動障害とも関連している可能性があるため、これらの結果は完全に決定的なものではありませんでした。^[29]

アーバインとその同僚は2006年に、CaMKIIの自己リン酸化を阻害すると、マウスの恐怖条件付けの初期学習が損なわれることを明らかにした。しかし、繰り返し試行すると、障害のあるマウスは対照マウスと同様の恐怖記憶形成を示した。CaMKIIは急速な恐怖記憶に役割を果たしている可能性があるが、長期的には恐怖記憶を完全に防ぐことはできない。^[30]

2004年、ロドリゲスとその同僚は、恐怖条件付けによって側方扁桃体のシナプスと樹状突起棘におけるリン酸化CaMKIIが増加することを発見し、恐怖条件付けがキナーゼの調節と活性化に関与している可能性を示唆した。彼らはまた、CaMKIIを阻害し、恐怖条件付けとLTPの獲得を防ぐ薬剤KN-62を発見した。^[31]

α-CaMKIIヘテロ接合マウスは、野生型の半分の正常タンパク質レベルを発現する。これらのマウスは海馬での記憶の保存は正常であったが、皮質での記憶の統合に欠陥が見られた。^[32]

メイフォードらは、Thr-286をアスパラギン酸に点変異させたCaMKIIを発現するトランスジェニックマウスを作製した。この変異は自己リン酸化を模倣し、キナーゼ活性を増加させる。これらのマウスは弱い刺激に対してLTP反応を示さず、視覚や嗅覚の手がかりに依存する海馬依存性空間学習を行うことができなかった。^[33]

研究者たちは、これらの結果はこれらの動物の安定した海馬の場所細胞の欠如によるものである可能性があると推測している。^[34]

しかし、遺伝子組み換えは意図しない発達の変化を引き起こす可能性があるため、ウイルスベクターの送達により、マウスの遺伝物質を特定の発達段階で改変することができます。ウイルスベクターの送達により、すでに発達した動物の脳の特定の領域に特定の遺伝子を注入することが可能です。これは、実際に1990年代初頭に利根川グループによって、2007年にポールセンとその同僚によって行われました。両グループは、この方法を使用してCaMKIIを海馬に注入しました。彼らは、CaMKIIの過剰発現により、新しい記憶の獲得がわずかに強化されることを発見しました。 ^{[35] [36]}

薬物誘発性の CaMKII 機能の変化が依存症に関係していると考えられています。

CaMKIIAはCamKIIの主要な形態の1つです。シナプス後密度におけるCamKIIの活性化を持続させる上で重要な役割を果たすことがわかっています。研究により、CaMKIIAを持たないノックアウトマウスはLTPの頻度が低いことがわかりました。さらに、これらのマウスは海馬に持続的で安定した場所細胞を形成しません。^[37]

CaMK2BはThr287に自己リン酸化部位を持ち、標的化またはドッキングモジュールとして機能します。逆転写ポリメラーゼ連鎖反応と配列解析により、脳内のベータCaMKIIの少なくとも5つの選択的スプライシングバリアント（ベータ、ベータ6、ベータe、ベータ'e、ベータ7）が特定され、そのうち2つ（ベータ6とベータ7）はどの種でも初めて検出されました。^[38]

CaMK2Dは神経細胞と非神経細胞の両方に現れます。特に膵臓、白血病、乳房、その他の腫瘍細胞など、多くの腫瘍細胞に特徴的に見られます。^[39]は、 CaMK2Dがヒト腫瘍細胞でダウンレギュレーションされていることを発見しました。

CaMK2Gは分化した平滑筋細胞において重要な細胞外シグナル制御キナーゼであることが示されている。^[40]

• CaMK II — CAMK2A、CAMK2B、CAMK2D、CAMK2G

• アクチン

• 米国国立医学図書館の医学主題標目(MeSH)におけるカルシウム-カルモジュリン+依存性+タンパク質+キナーゼ
• CaMKII について詳しく知るには...