サイクリン依存性キナーゼ複合体

サイクリン依存性キナーゼ複合体（CDKC、サイクリン-CDK）は、タンパク質キナーゼの不活性触媒サブユニットであるサイクリン依存性キナーゼ（CDK）と調節サブユニットであるサイクリンが結合して形成されるタンパク質複合体である。^[1] サイクリン依存性キナーゼがサイクリンに結合すると、形成された複合体は活性化状態になる。活性化複合体の基質特異性は、複合体内の結合サイクリンによって主に確立される。CDKCの活性は、標的タンパク質のリン酸化と阻害タンパク質の結合によって制御される。^[2]

サイクリンサブユニットと複合体を形成したCDK （CDKC）の構造は、1990年代にBrownらによって未結合のサイクリンAの構造が解明され、同じ年にJefferyらによってヒトサイクリンA-CDK2複合体の構造が2.3オングストロームの解像度で解明されて以来、構造生物学者や細胞生物学者の長年の目標となってきました。 ^{[3]この時から、図1に示すように、CDK2の構造やさまざまな基質に結合したCDK2の構造など、多くのCDK構造が高解像度で決定されています。}タンパク質データバンクには、合計約25のCDK-サイクリン複合体の高解像度構造が存在します。^[4]機能に基づいて、CDK-サイクリン複合体構造には、オープンフォームとクローズドフォームの2つの一般的な集団があります。形態の違いはサイクリンパートナーの結合にあり、閉じた形態の複合体は CDK の活性化ループの C 末端と N 末端の両方で CDK-サイクリン結合を持つのに対し、開いた形態のパートナーは N 末端のみに結合します。開いた形態の構造は、転写調節に関与する複合体 (CDK 8、9、12、13) に最もよく対応し、閉じた形態の CDK-サイクリン複合体は、細胞周期の進行と調節に最もよく関与します (CDK 1、2、6)。ただし、これらの異なる役割は、CDK コンポーネント間の配列相同性とは大きく異なります。特に、これらの既知の構造の中には、N 末端グリシンリッチループ、ヒンジ領域、αC ヘリックス、T ループ調節部位の 4 つの主要な保存領域があるようです。^[4]

活性化ループはTループとも呼ばれ、CDKの領域（多くのCDKのDFGモチーフとAPEモチーフの間）^[4]であり、CDKがその機能特異的パートナーに結合したときに酵素的に活性になります。CDK-サイクリン複合体では、この活性化領域は保存されたαL-12ヘリックスから構成され、CDKの酵素活性を媒介する重要なリン酸化残基（CDK-サイクリンパートナーの場合は通常トレオニンですが、セリンとチロシンも含まれます）を含みます。この必須残基（CDK2複合体ではT160、CDK6複合体ではT177）で、CAK（サイクリン活性化キナーゼ、ヒト細胞ではCDK7-サイクリンH複合体を指す）によるCDK-サイクリン複合体の酵素的ATPリン酸化が起こります。この部位でATPが加水分解されてリン酸化されると、これらの複合体は細胞標的のリン酸化という本来の機能を果たすことができる。CDK1、2、6では、Tループと別のC末端領域がCDKにおけるサイクリン結合の主要部位であり、どのサイクリンがこれらのCDKに結合するかは活性化部位Tループの特定の配列によって決まることに注意する必要がある。これらのサイクリン結合部位は、この構造成分のαL-12ヘリックスモチーフの周囲の配列相同性が比較的高いにもかかわらず、CDKの中で最も変動性が高い領域である。^[4]

CDK2 の残基 12-16 に見られるグリシンリッチループ (Gly-rich loop) は、酵母と動物モデルの両方で保存された GXGXXG モチーフをコードします。調節領域は、このモチーフ内の非グリシン残基で差別的リン酸化を受けやすく、この部位は哺乳類で Wee1 および/または Myt1 阻害キナーゼリン酸化と Cdc25 脱リン酸化を受けやすくなります。CDK2のGly - rich loopでのこの可逆的なリン酸化は Y15 で発生し、その活性がさらに研究されています。この残基の研究により、リン酸化によって構造変化が促進され、CDK-サイクリン複合体の活性化ループにあるこれらの必要な結合部位が立体的に干渉されて ATP と基質の結合が妨げられることが示されています。この活性は、ほとんどの CDK の構造内で Gly-rich loop が持つ顕著な柔軟性によって促進され、活性化ループに向かって回転することで、CDK-サイクリン複合体の全体的な構造に大きな変化を与えることなく、基質親和性を大幅に低下させることができます。^{[3] [5]}

真核細胞内の CDK の保存されたヒンジ領域は、グリシンに富むループと活性化ループの間の重要な橋渡しとして機能します。CDK は、このヒンジ領域を介してアルファヘリックスが支配的な C 末端ローブに接続された、主にねじれたベータシートである N 末端ローブによって特徴付けられます。T ループとグリシンに富むループについて議論する際には、これらの領域が、生化学的機能を実行するために空間的に相互作用できなければならないため、CDK 自体の反対側のローブにあることに留意することが重要です。したがって、CDK タイプと CDK-サイクリン複合体の間で長さがわずかに異なるこのヒンジ領域は、これらのローブを接続することで CDK の重要な制御領域を接続し、組み立てられた複合体によるリン酸化反応の触媒を容易にするために ATP を適切に配向することで、CDK-サイクリン複合体の結果として生じる構造に重要な役割を果たします。^{[3] [4]}

αC-ヘリックス領域は、多くの哺乳類キノーム（キナーゼファミリー）で高度に保存されています。その主な役割は、キナーゼ活性部位のアロステリック制御を維持することです。この制御は、CDK-サイクリン複合体で、CDKがパートナーレギュレーター（サイクリンまたは他のパートナータンパク質）に結合するまでCDKの活性を特異的に阻害することによって現れます。この結合により、CDKのαC-ヘリックス領域の構造変化が起こり、CDKが活性部位の裂け目から移動して、Tループ活性化の初期プロセスを完了することができます。この領域はキナーゼのタンパク質スーパーファミリー全体で非常に保存されているため、αC-ヘリックスがキナーゼのN末端ローブから折り畳まれ、Tループ内にあるαL-12ヘリックスへのアクセスが向上することが示されたこのメカニズムは、医薬品開発の潜在的なターゲットであると考えられています。^[6]

これらの複合体は多様な機能を有するが、CDKCは細胞周期における役割で最もよく知られている。当初、研究はSchizosaccharomyces pombeとSaccharomyces cerevisiae（酵母） で行われた。S . pombeとS. cerevisiaeは、それぞれCdc2とCdc28という単一のCdkとの関連性で最もよく知られており、これらは数種類のサイクリンと複合体を形成する。^[7] サイクリンに応じて、細胞周期のさまざまな部分が影響を受ける。例えば、S. pombeでは、Cdc2はCdk13と関連してCdk13-Cdc2複合体を形成する。S . cerevisiaeでは、Cdc28がサイクリンCln1、Cln2、またはCln3と関連すると、G1期からS期への移行が生じる。 S期に入ると、Cln1とCln2はCdc28と解離し、Cdc28とClb5またはClb6の複合体が形成されます。G2期では、Cdc28とClb1、Clb2、Clb3、またはClb4の結合から複合体が形成され、G2期から_M（有糸分裂）期へと進行します。これらの複合体はM期初期にも存在します。^[2]酵母CDKCの概要については、表1を参照してください。

表1. 酵母の細胞周期段階に関連するCDKC

酵母の細胞周期の各段階で形成される複合体について知られていることから、重要なリン酸化部位と関与する転写因子に基づいたモデルが提案されている。^{[7] [8]}

酵母細胞周期研究で発見された情報を利用して、哺乳類細胞周期に関して大きな進歩が遂げられました。細胞周期は類似しており、CDKC が直接的または間接的に細胞周期の進行に影響を与えることが判明しました。前述のように、酵母では、1 つのサイクリン依存性キナーゼ (CDK) のみが数種類のサイクリンと関連しています。しかし、哺乳類細胞では、数種類の CDK がさまざまなサイクリンと結合して CDKC を形成します。たとえば、最初に特定されたヒト CDK である Cdk1 (ヒト Cdc2 とも呼ばれる) は、サイクリンAまたはBと関連しています。サイクリン A/B-Cdk1 複合体は、G2 期と M 期、および初期 M 期の間の遷移を促進します。別の哺乳類 CDK である Cdk2 は、サイクリン D1、D2、D3、E、または A と複合体を形成できます。Cdk4 および Cdk6 は、サイクリン D1、D2、および D3 と相互作用します。^[9] 研究によると、CDKCのサイクリンD1-Cdk4/6には違いがないため、固有の特性は基質特異性または活性化に関連している可能性があります。^[1] CDKのレベルは細胞周期を通じてほぼ一定ですが、サイクリンのレベルは変動します。この変動がサイクリン-CDK複合体の活性化を制御し、最終的には周期全体の進行を制御します。^[10] 細胞周期に関与する哺乳類細胞CDKCの概要については、表2を参照してください。

表2. 哺乳類細胞における細胞周期段階に関連するCDKC ^[4]

_{G 1}期後期には、CDKC が網膜芽細胞腫 (Rb) タンパク質ファミリーのメンバーに結合してリン酸化します。Rb タンパク質ファミリーのメンバーは腫瘍抑制因子であり、腫瘍形成中に発生する制御不能な細胞増殖を防ぎます。しかし、pRb は G ₁期から S 期への移行に必要な遺伝子を抑制するとも考えられています。細胞が次の期に移行する準備ができると、CDKC、サイクリン D1-Cdk4、サイクリン D1-Cdk6 が pRB をリン酸化した後、サイクリン E-Cdk2 CDKC がさらにリン酸化します。^{[11] [12]} リン酸化が起こると、転写因子が放出されて pRB が不可逆的に不活性化され、細胞周期の S 期への進行が起こります。^[13] G ₁期に形成された サイクリンE-Cdk2 CDKC は、S 期中の DNA 複製の開始を助けます。^[1]

S期の終わりには、サイクリンAはCdk1およびCdk2と結合します。G2期には、サイクリンAは分解され、サイクリンBが合成され、サイクリンB-Cdk1複合体が形成されます。サイクリンB-Cdk1複合体はM期への移行に重要であるだけでなく、これらのCDKCは次の制御および構造プロセスで役割を果たします。^[1]

• 染色体凝縮
• ゴルジ体ネットワークの断片化
• 核ラミナの破壊

サイクリンBの分解によるサイクリンB-Cdk1複合体の不活性化は、細胞周期のM期から抜け出すために必要である。^[1]

既知のCDKCの大部分は細胞周期に関与しているが、すべてのキナーゼ複合体がこのように機能するわけではない。研究により、サイクリンk-Cdk9やサイクリンT1-Cdk9などの他のCDKCは複製ストレス応答に関与し、^[14]転写に影響を与えることがわかっている。^{[15] [16] [17]さらに、サイクリンH-Cdk7複合体は雄性生殖細胞の}減数分裂に関与している可能性があり、^[18]転写活動にも関与していることが示されている。^{[1] [19]}

• サイクリン
• サイクリン依存性キナーゼ
• サイクリンD/Cdk4
• サイクリンE/Cdk2