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カルモジュリン（CaM ）（カルシウム調節タンパク質の略）は、すべての真核細胞で発現する多機能中間カルシウム結合メッセンジャータンパク質です。[ 1 ]これはセカンドメッセンジャーCa2 +の細胞内標的であり、カルモジュリンの活性化にはCa2 +の結合が必要です。Ca2 +に結合すると、カルモジュリンはキナーゼやホスファターゼなどのさまざまな標的タンパク質との相互作用を変化させることにより、カルシウムシグナル伝達経路の一部として機能します。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
カルモジュリンは、148個のアミノ酸からなる（16.7 kDa）小さく高度に保存されたタンパク質です。このタンパク質は、それぞれ一対のEFハンドモチーフ[ 5 ]を含む、ほぼ対称な2つの球状ドメイン（NドメインとCドメイン）を持ち、柔軟なリンカー領域によって隔てられており、合計4つのCa2 +結合部位があり、各球状ドメインに2つずつ存在します[ 6 ] 。Ca2 +非存在下 では、4つのEFハンドを形成するヘリックスはコンパクトな向きに折り畳まれ、中央のリンカーは無秩序です[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 。Ca2 +飽和状態 では、EFハンドヘリックスは互いにほぼ垂直な開いた向きをとり、中央のリンカーは結晶構造では伸長したαヘリックスを形成しますが[ 5 ] [ 6 ]、溶液中では大部分が無秩序のままです。[ 9 ] CドメインはNドメインよりもCa 2+に対する結合親和性が高い。 [ 10 ] [ 11 ]
カルモジュリンは、 4つのEFハンドモチーフを含む別のCa2 +結合タンパク質であるトロポニンCと構造的に非常によく似ている。 [ 5 ] [ 12 ] しかし、トロポニンCはN末端にαヘリックスが1つ追加されており、標的であるトロポニンIに恒常的に結合している。そのため、カルモジュリンのような多様な標的認識は示さない。
カルモジュリンが膨大な数の標的タンパク質を認識できるのは、主にその構造的柔軟性によるものです。[ 13 ]中央リンカードメインの柔軟性に加えて、NドメインとCドメインはCa2 +結合状態 で開閉コンフォメーションサイクルを起こします。[ 9 ] カルモジュリンは、標的に結合すると、構造的多様性も大きく、コンフォメーションの変動もかなり大きくなります。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]さらに、カルモジュリンとほとんどの標的との結合が主に疎水性であるため、幅広い標的タンパク質配列を認識できます。[ 14 ] [ 17 ] これらの特徴により、カルモジュリンはさまざまなCaM結合配列モチーフを示す約300の標的タンパク質を認識できます。[ 18 ]
EFハンドによるCa2 +の結合によりNドメインとCドメインが開き、疎水性の標的結合面が露出する。[ 6 ] これらの面は、標的タンパク質上の相補的な非極性セグメントと相互作用する。このセグメントは通常、10～16個の極性アミノ酸および/または塩基性アミノ酸によって隔てられたかさ高い疎水性アミノ酸のグループから構成される。[ 18 ] [ 14 ] カルモジュリンの柔軟な中央ドメインにより、タンパク質は標的を包み込むことができるが、別の結合様式も知られている。ミオシン軽鎖キナーゼやCaMKIIなどのカルモジュリンの「典型的な」標的はCa2 +結合タンパク質にのみ結合するが、 NaVチャネルやIQモチーフタンパク質などの一部のタンパク質はCa2 +が存在しない場合でもカルモジュリンに結合する。[ 14 ] カルモジュリンの結合は、「相互誘導適合」を介して標的タンパク質の立体構造変化を誘発し、[ 19 ]標的タンパク質の機能変化につながる。
カルモジュリンによるカルシウム結合はかなりの協同性を示し、[ 5 ] [ 11 ]カルモジュリンは単量体（単鎖）協同結合タンパク質の珍しい例となっている。さらに、標的結合はカルモジュリンのCa2 +イオンに対する結合親和性を変化させ、 [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]これによりCa2 +と標的結合相互作用間の複雑なアロステリック相互作用が可能になる。 [ 23 ]標的結合がCa2 +親和性 に及ぼすこの影響により、小コンダクタンスCa2 +活性化カリウム（SK）チャネルなど、カルモジュリンに恒常的に結合しているタンパク質のCa2 +活性化が可能になると考えられている。[ 24 ]
カルモジュリンは主にCa 2+結合タンパク質として機能しますが、他の金属イオンも配位します。たとえば、典型的な細胞内Mg 2+濃度（0.5～1.0 mM）と静止時のCa 2+濃度（100 nM）が存在する場合、カルモジュリンのCa 2+結合部位は少なくとも部分的にMg 2+で飽和しています。[ 25 ]このMg 2+は、シグナル伝達イベントによって生成される高濃度のCa 2+によって置き換えられます。同様に、Ca 2+自体も、Ca 2+よりもさらに強くカルモジュリンの結合ポケットに結合する三価ランタニドなどの他の金属イオンによって置き換えられる可能性があります。[ 26 ] [ 27 ]これらのイオンはカルモジュリンの構造を歪め[ 28 ] [ 29 ] 、生体内では希少であるため一般的に生理学的に関連性はないが、カルモジュリンの構造と機能のレポーターとして広く科学的に利用されている。[ 30 ] [ 31 ] [ 26 ]
カルモジュリンは、炎症、代謝、アポトーシス、平滑筋収縮、細胞内運動、短期記憶および長期記憶、免疫応答など、多くの重要なプロセスを媒介します。[ 32 ] [ 33 ]カルシウムは、最初の刺激に対する拡散性セカンドメッセンジャーとして作用することで、細胞内シグナル伝達システムに関与します。これは、多数の酵素、イオンチャネル、アクアポリン、その他のタンパク質を含む、細胞内のさまざまな標的に結合することによって行われます。[ 4 ]カルモジュリンは多くの細胞型で発現し、細胞質、オルガネラ内、または形質膜やオルガネラ膜に関連するなど、さまざまな細胞内局在を持つことができますが、常に細胞内に存在します。[ 33 ] カルモジュリンが結合するタンパク質の多くは、それ自体はカルシウムに結合できず、カルモジュリンをカルシウムセンサーおよびシグナル伝達因子として使用します。カルモジュリンは、小胞体および筋小胞体のカルシウム貯蔵庫も利用することができる。カルモジュリンは、リン酸化、アセチル化、メチル化、タンパク質分解切断などの翻訳後修飾を受けることがあり、これらの修飾はそれぞれカルモジュリンの作用を調節する可能性がある。
カルモジュリンは、平滑筋における興奮収縮連関（ECカップリング）とクロスブリッジサイクルの開始において重要な役割を果たし、最終的に平滑筋の収縮を引き起こします。[ 34 ]平滑筋の収縮を活性化するには、ミオシン軽鎖の頭部がリン酸化される必要があります。このリン酸化は、ミオシン軽鎖（MLC）キナーゼによって行われます。このMLCキナーゼは、カルモジュリンがカルシウムと結合すると活性化されるため、カルモジュリンの結合とMLCキナーゼの活性化を介して、平滑筋の収縮はカルシウムの存在に依存するようになります。[ 34 ]
カルモジュリンが筋収縮に影響を与えるもう1つの方法は、細胞膜と筋小胞体膜の両方を介したCa2 +の移動を制御することです。筋小胞体のリアノジン受容体などのCa2 +チャネルは、カルシウムに結合したカルモジュリンによって阻害され、細胞内のカルシウムの全体的なレベルに影響を与えます。[ 35 ]カルシウムポンプは細胞質からカルシウムを取り出すか、小胞体に貯蔵し、この制御は多くの下流のプロセスを調節するのに役立ちます。
これはカルモジュリンの非常に重要な機能であり、消化や動脈の収縮（血液の分配や血圧の調節に役立つ）など、平滑筋の収縮によって影響を受けるすべての生理学的プロセスに間接的に関与している。[ 36 ]
カルモジュリンはホスホリラーゼキナーゼの活性化において重要な役割を果たし、最終的にはグリコーゲンホスホリラーゼによってグリコーゲンからグルコースが切断される。[ 37 ]
カルモジュリンはカルシトニンに影響を与えることで脂質代謝においても重要な役割を果たしている。カルシトニンは血中Ca2 +濃度を低下させ、 cAMPの生成につながるGsタンパク質カスケードを活性化するポリペプチドホルモンである。カルモジュリンの作用を阻害することでカルシトニンの作用を阻害できることから、カルモジュリンがカルシトニンの活性化に重要な役割を果たしていることが示唆される。[ 37 ]
Ca 2+ /カルモジュリン依存性プロテインキナーゼ II (CaMKII)は、カルシウム / カルモジュリンの存在を必要とする長期増強(LTP)と呼ばれるシナプス可塑性の一種において重要な役割を果たします。CaMKII はAMPA 受容体のリン酸化に寄与し、AMPA 受容体の感受性を高めます。[ 38 ]さらに、CaMKII を阻害すると LTP が阻害されることが研究で示されています。[ 38 ]
酵母は単一のCaM遺伝子しか持たないが、植物や脊椎動物は進化的に保存されたCaM遺伝子の形態を持っている。Ca2 +シグナル伝達における植物と動物の違いは、植物は進化的に保存された形態に加えて、CaMの拡張ファミリーを持っていることである。[ 39 ]カルモジュリンは、植物の発達と環境刺激への適応において重要な役割を果たす。
カルシウムは細胞壁の構造的完全性と細胞膜系において重要な役割を果たします。しかし、カルシウム濃度が高いと植物の細胞エネルギー代謝に毒性を示す可能性があるため、細胞質内のCa 2+濃度は、細胞質Ca 2+をアポプラストまたは細胞内小器官の内腔に除去することによって、サブマイクロモルレベルに維持されます。流入と流出の増加によって生じるCa 2+パルスは、ホルモン、光、重力、非生物的ストレス要因、および病原体との相互作用などの外部刺激に対する細胞シグナルとして機能します。[ 40 ]
植物には、典型的なCaMタンパク質とは別に、CaM関連タンパク質（CML）が含まれています。CMLは、典型的なCaMと約15%のアミノ酸類似性があります。シロイヌナズナには約50種類のCML遺伝子があり[ 41 ] 、これらの多様なタンパク質が細胞機能においてどのような役割を果たしているのかという疑問が生じます。すべての植物種において、CML遺伝子にこのような多様性が見られます。異なるCaMとCMLは、生体内でCaM制御酵素に結合して活性化する親和性が異なります。CaMまたはCMLは、異なる細胞小器官区画にも存在することがわかっています。
シロイヌナズナにおいて、タンパク質DWF1は、植物の成長に必要なステロイドホルモンであるブラシノステロイドの生合成において酵素的な役割を果たしている。CaMとDWF1の間には相互作用があり、DWF1がCaMに結合できないと、植物は正常な成長表現型を示すことができない。したがって、CaMは植物の成長におけるDWF1の機能に不可欠である。
CaM結合タンパク質は、植物の生殖発達を制御することも知られている。例えば、タバコのCaM結合タンパク質キナーゼは、開花を抑制する負の制御因子として機能する。しかし、これらのCaM結合タンパク質キナーゼはタバコの茎頂分裂組織にも存在し、分裂組織におけるこれらのキナーゼの高濃度は、植物の開花への移行を遅らせる原因となる。
S遺伝子座受容体キナーゼ（SRK）は、CaMと相互作用する別のタンパク質キナーゼである。SRKは、アブラナ属植物の花粉と雌しべの相互作用に関わる自家不和合性応答に関与している。
シロイヌナズナのCaM標的は、花粉の発達と受精にも関与している。Ca2 +トランスポーターは花粉管の成長に不可欠である。そのため、受精過程における花粉管の伸長のために、花粉管の先端では一定のCa2 +勾配が維持される。同様に、CaMも花粉管の先端で不可欠であり、その主な役割は花粉管の成長を誘導することである。
Ca 2+ はマメ科植物の根粒形成において重要な役割を果たします。窒素は植物に必要な必須元素であり、多くのマメ科植物は窒素を自力で固定できないため、窒素をアンモニアに還元する窒素固定細菌と共生関係を築きます。このマメ科植物とリゾビウム菌の相互作用の確立には、リゾビウム菌が産生する Nod 因子が必要です。Nod因子は、マメ科植物の根粒形成に関与する根毛細胞によって認識されます。様々な性質の Ca 2+応答が Nod 因子の認識に関与していることが特徴づけられています。根毛の先端では最初にCa 2+フラックスが発生し、続いて細胞質でCa 2+の繰り返し振動が起こり、核周辺でも Ca 2+スパイクが発生します。Ca 2+スパイクのシグネチャーの下流で機能する Nod 因子シグナル伝達に必須の遺伝子である DMI3 が、Ca 2+シグネチャーを認識している可能性があります。さらに、 MedicagoとLotusのいくつかの CaM および CML 遺伝子は根粒で発現しています。
植物が病原体に対して利用する多様な防御戦略の中で、Ca 2+シグナル伝達は非常に一般的です。細胞質内の遊離 Ca 2+濃度は、病原体の感染に応じて上昇します。このような Ca 2+シグナルは通常、防御関連遺伝子の誘導と過敏性細胞死によって植物の防御システムを活性化します。CaM、CML、および CaM 結合タンパク質は、植物の防御シグナル伝達経路の最近同定された要素の一部です。タバコ、インゲンマメ、トマトのいくつかの CML 遺伝子は病原体に反応します。CML43 は CaM 関連タンパク質であり、遺伝子発現解析のためにシロイヌナズナの病害抵抗性葉の APR134 遺伝子から単離され、葉にPseudomonas syringaeを接種すると急速に誘導されます。これらの遺伝子はトマト ( Solanum lycopersicum )でも見つかります。 APR134由来のCML43も試験管内でCa2 +イオンに結合することから、CML43とAPR134は細菌病原体に対する植物の免疫応答中のCa2 +依存性シグナル伝達に関与していることが示唆される。 [ 42 ]シロイヌナズナにおけるCML9の発現は、植物病原性細菌、フラジェリン、サリチル酸によって急速に誘導される。 [ 43 ]トランスジェニックタバコおよびシロイヌナズナにおけるダイズSCaM4およびSCaM5の発現は、病原体抵抗性に関連する遺伝子の活性化を引き起こし、広範囲の病原体感染に対する抵抗性の向上をもたらす。高度に保存されたCaMアイソフォームであるダイズSCaM1およびSCaM2については、同じことは当てはまらない。At BAG6タンパク質はCaM結合タンパク質であり、Ca2 +が存在しない場合にのみCaMに結合し、存在する場合には結合しない。 BAG6は、病原体の感染拡大を防いだり、病原体の増殖を抑制したりするために、プログラム細胞死の過敏性反応に関与しています。CaM結合タンパク質の変異は、病原体感染に対する植物の防御反応に深刻な影響を与える可能性があります。環状ヌクレオチドゲートチャネル（CNGC）は、CaM結合部位が重なり合った細胞膜上の機能的なタンパク質チャネルであり、Ca2 +などの二価カチオンを輸送します。しかし、植物の防御におけるこの経路でのCNGCの位置の正確な役割はまだ不明です。
細胞内Ca2 +濃度の変化は、機械的刺激、浸透圧および塩処理、低温および高温ショックに対する多様な応答の指標として用いられます。根の細胞の種類によって浸透圧および塩ストレスに対するCa2 +応答が異なり、これはCa2 +パターンの細胞特異性を示唆しています。外部ストレスに応答して、CaMはL-グルタミン酸をGABAに変換するグルタミン酸デカルボキシラーゼ（GAD）を活性化します。GABA合成の厳密な制御は植物の発達にとって重要であり、したがってGABA濃度の上昇は植物の発達に大きな影響を与える可能性があります。したがって、外部ストレスは植物の成長と発達に影響を与える可能性があり、CaMはこの影響を制御する経路に関与しています。
ソルガムは確立されたモデル生物であり、高温乾燥環境に適応できます。このため、植物におけるカルモジュリンの役割を研究するためのモデルとして使用されています。[ 44 ]ソルガムには、グリシンに富むRNA結合タンパク質SbGRBPを発現する実生が含まれています。この特定のタンパク質は、ストレス因子として熱を使用することで調節できます。細胞核と細胞質におけるその独特な位置は、Ca2 +の使用を必要とするカルモジュリンとの相互作用を示しています。[ 45 ]植物をさまざまなストレス条件にさらすことで、植物細胞が環境変化に耐えることを可能にするさまざまなタンパク質が抑制される可能性があります。これらの調節されたストレスタンパク質はCaMと相互作用することが示されています。ソルガムで発現するCaMBP遺伝子は、熱と干ばつストレスに対する耐性を研究するための「モデル作物」として描かれています。
シロイヌナズナの研究では、数百種類の異なるタンパク質が植物のCaMに結合する可能性を示した。[ 44 ]