サイクリン依存性キナーゼ

サイクリン依存性キナーゼ（CDK）は、細胞周期とその進行の調節に関与し、細胞機構の完全性と機能性を確保するセリン/スレオニンタンパク質キナーゼの主要なグループです。これらの調節酵素は、いくつかの細胞外および細胞内シグナルに応答して、真核生物の細胞周期と転写、ならびに DNA 修復、代謝、およびエピジェネティック調節の調節において重要な役割を果たします。 ^{[1] [2]これらは既知のすべての}真核生物に存在し、細胞周期におけるその調節機能は進化的に保存されています。^{[3] [4]} CDK の触媒活性は、CDK 阻害剤（CKI）およびサイクリンと呼ばれる調節サブユニットとの相互作用によって制御されます。サイクリン自体は酵素活性がありませんが、CDK に結合すると活性化します。サイクリンがない場合、CDK はサイクリン-CDK ヘテロ二量体複合体にある場合よりも活性が低くなります。^{[5] [6]} CDKはセリン（S）またはスレオニン（T）残基上のタンパク質をリン酸化します。CDKの基質に対する特異性はS/TPXK/R配列によって定義されます。ここで、S/Tはリン酸化部位、Pはプロリン、Xは任意のアミノ酸、配列はリジン（K）またはアルギニン（R）で終わります。このモチーフにより、CDKはタンパク質を正確に標的とし、修飾することができ、細胞周期やその他の機能の調節に重要です。^[7] CDK活性の調節不全は、がん、神経変性疾患、脳卒中など、さまざまな病態に関連しています。^[6]

CDK は当初、酵母やカエルなどのモデル生物の研究を通じて特定され、細胞周期の進行における重要な役割が強調されました。これらの酵素はサイクリンと複合体を形成することで機能し、サイクリンのレベルは細胞周期を通じて変動し、それによってタイムリーな細胞周期の移行を保証します。長年にわたり、CDK の理解は細胞分裂を超えて、細胞シグナルの遺伝子転写統合における役割を含むように拡大しました。^{[7] [8]}

CDK の進化の過程は、細胞周期の段階や転写制御に特化した特定のメンバーを含む多様なファミリーにつながっています。たとえば、出芽酵母は 6 つの異なる CDK を発現し、そのうちのいくつかは複数のサイクリンに結合して細胞周期を制御し、他のものは単一のサイクリンに結合して転写を制御します。ヒトでは、20 の CDK と 29 のサイクリンに拡大しており、その複雑な制御役割を物語っています。CDK1 などの主要な CDK は細胞周期の制御に不可欠ですが、CDK2 や CDK3 などの他の CDK はそうではありません。さらに、ヒトの CDK7 などの転写 CDK は、RNA ポリメラーゼ II ( RNAPII ) をリン酸化して転写を開始する上で重要な役割を果たしており、細胞周期制御と転写管理の複雑なつながりを示しています。単純な制御因子から多機能酵素へのこの進化的拡大は、真核細胞の複雑な制御ネットワークにおける CDK の重要性を強調しています。^[7]

2001年、科学者のリーランド・H・ハートウェル、ティム・ハント、サー・ポール・M・ナースは、細胞周期の重要な調節因子の発見によりノーベル生理学・医学賞を受賞しました。 ^[9]

• リーランド・H・ハートウェル（1929年生まれ）：1971年に酵母の研究を通じて、ハートウェルは細胞分裂に重要な遺伝子を特定し、細胞周期の段階と癌細胞の分裂を防ぐための重要なチェックポイントを概説した。^{[9] [10]}
• ティム・ハント（1943年生まれ）：1980年代のウニの研究を通じて、ハントはサイクリンが周期的な合成と分解を通じて細胞周期の段階を制御する役割を果たしていることを発見した。^{[9] [11]}
• サー・ポール・M・ナース（1949年生まれ）：1970年代半ば、ナースの研究により分裂酵母のcdc2遺伝子が発見された。この遺伝子は細胞周期のG1期からS期、G2期からM期への進行に極めて重要である。1987年、ナースはヒトの対応する遺伝子CDK1を特定し、種を超えた細胞周期制御メカニズムの保存性を強調した。^{[9] [12]}

CDK は、推定 800 種類あるヒトタンパク質キナーゼの 1 つです。CDK は分子量が低く、単独では不活性であることが知られています。CDK は、調節サブユニットであるサイクリンに依存するのが特徴です。CDK の活性化には、リン酸化反応を伴う翻訳後修飾も必要です。このリン酸化は、通常、特定のトレオニン残基で発生し、CDK の構造変化を引き起こし、キナーゼ活性を高めます。^[13]活性化により、サイクリン-CDK 複合体が形成され、細胞周期の各段階を開始するために必要な特定の調節タンパク質をリン酸化します。^[5]

ヒト細胞では、CDK ファミリーは細胞周期と転写の調節に重要な役割を果たす 20 種類のメンバーで構成されています。これらは通常、細胞周期の遷移と細胞分裂を調節する細胞周期 CDK と、遺伝子の転写を媒介する転写 CDK に分けられます。CDK1 、CDK2、CDK3、CDK4、CDK6、CDK7は細胞周期イベントの調節に直接関係し、CDK7 – 11 は転写調節に関連しています。^[1]さまざまなサイクリン-CDK 複合体が、G0/G1、S、G2、M 期として知られる細胞周期のさまざまな段階を調節し、ゲノムの安定性を維持し、正確な DNA 複製を確保するためのチェックポイントをいくつか備えています。^{[1] [5]}細胞周期の早い段階のサイクリン-CDK 複合体は、後の段階のサイクリン-CDK 複合体を活性化するのに役立ちます。^[4]

サイクリン依存性キナーゼ（CDK）は主に2つの葉を持つ構造をしており、これは一般的なすべてのキナーゼの特徴です。CDKの構造には特定の特徴があり、それが機能と制御に大きな役割を果たしています。^[2]

1. N末端ローブ（Nローブ）：この部分には、グリシンに富むGループと呼ばれる阻害要素が位置しています。阻害要素は、このN末端ローブのベータシート内にあります。^{[4] [2]}さらに、Cヘリックスと呼ばれるヘリックスがあります。このヘリックスには、CDK1のPSTAIRE配列が含まれています。この領域は、サイクリン依存性キナーゼ（CDK）とサイクリン間の結合を制御する上で重要な役割を果たしています。^{[7] [2]}
2. C末端ローブ（Cローブ）：この部分にはαヘリックスと活性化セグメントが含まれており、活性化セグメントはDFGモチーフ（CDK2のD145）からAPEモチーフ（CDK2のE172）まで伸びています。このセグメントには、いわゆるTループ内のリン酸化感受性残基（CDK2のT160）も含まれています。Cローブの活性化セグメントは、基質のリン酸化受容体Ser/Thr領域の結合のためのプラットフォームとして機能します。^{[7] [4] [2]}

すべてのキナーゼの活性部位、つまりATP 結合部位は、小さなアミノ末端ローブと大きなカルボキシ末端ローブの間に位置する溝です。ヒト CDK2 の構造に関する研究により、CDK にはサイクリンとの結合によって制御できる特別に適応した ATP 結合部位があることがわかっています。Tループの Thr160 でのCDK 活性化キナーゼ (CAK)によるリン酸化は、複合体の活性を高めるのに役立ちます。サイクリンがない場合、活性化ループまたは T ループと呼ばれる柔軟なループが溝をブロックし、いくつかの重要なアミノ酸の配置が ATP 結合に最適ではありません。^{[2] [14]}サイクリンがある場合、2 つのアルファ ヘリックスの位置が変わり、ATP 結合が可能になります。そのうちの 1 つ、一次配列の T ループの直前に位置する L12 ヘリックスは、ベータ ストランドに変換され、T ループが活性部位をブロックしないように再編成するのに役立ちます。もう一方のαヘリックスはPSTAIREヘリックスとして知られ、再編成され、活性部位の重要なアミノ酸の位置を変えるのに役立ちます。^{[6] [14]}

サイクリンがCDKに結合する特異性はかなり高い。さらに、サイクリンの結合は特定の基質に対するサイクリン-CDK複合体の特異性を決定し、CDK1にサイクリン結合特異性を付与する明確な活性化経路の重要性を強調している。これは、それぞれのサイクリンによるCDKの選択的結合と活性化を通じて細胞周期の制御が複雑かつ微調整されていることを物語っている。^{[15] [16]}

サイクリンは基質に直接結合するか、基質が存在する細胞内領域にCDKを局在させることができる。RXL結合部位は、   CDKが基質ドッキングを促進することによって特定の基質に対する活性を選択的に高める仕組みを明らかにする上で重要であった。^[17] Sサイクリンの基質特異性は疎水性バッチによって付与され、疎水性RXL（またはCy）モチーフを含む基質タンパク質に対する親和性を有する。^[4] サイクリンB1とB2は、 CDK結合領域外の局在配列を介して、それぞれ核とゴルジにCDK1を局在させることができる。^{[4] [16]}

完全なキナーゼ活性を達成するには、CDK の活性部位に隣接するスレオニンの活性化リン酸化が必要である。^[18]このリン酸化を実行する CDK 活性化キナーゼ (CAK) の正体は、モデル生物によって異なる。このリン酸化のタイミングも異なり、哺乳類細胞では活性化リン酸化はサイクリン結合後に起こるが、酵母細胞ではサイクリン結合前に起こる。CAK 活性は既知の細胞周期経路によって制御されておらず、サイクリン結合が CDK 活性化の制限ステップである。^[4]

活性化リン酸化とは異なり、CDKの阻害性リン酸化は細胞周期の制御に極めて重要です。さまざまなキナーゼとホスファターゼがリン酸化状態を制御します。たとえば、CDK1の活性は、   WEE1キナーゼ、Myt1キナーゼ、および  Cdc25cホスファターゼのリン酸化のバランスによって制御されます。すべての真核生物に保存されているキナーゼであるWee1は、CDK1をTyr 15でリン酸化します。Myt1は、スレオニン（Thr 14）とチロシン（Tyr 15）の両方をリン酸化できます。脱リン酸化は、スレオニンとチロシンの両方からリン酸基を除去することによって、Cdc25cホスファターゼによって実行されます。^{[1] [7]}  この阻害性リン酸化は、DNA損傷などのイベントに反応して細胞周期の進行を防ぐのに役立ちます。リン酸化はCDKの構造に大きな変化を与えないが、基質に対する親和性を低下させ、それによってCDKの活性を阻害する。細胞周期を進行させるには、阻害性リン酸基をCdc25ホスファターゼによって除去し、CDKを再活性化する必要がある。^[7]

サイクリン依存性キナーゼ阻害剤（CKI）は、サイクリン-CDK複合体と相互作用してキナーゼ活性を阻害するタンパク質であり、多くの場合G1期中、または外部シグナルやDNA損傷に反応して阻害されます。動物細胞には、INK4ファミリー（p16、p15、p18、p19）とCIP/KIPファミリー（p21、p27、p57）の2つの主要なCKIファミリーが存在します。INK4ファミリータンパク質は、D型サイクリンまたはCAKによってCDK4およびCDK6に特異的に結合して阻害するのに対し、CIP/KIPファミリーはCDK-サイクリンヘテロダイマーの活性化を防ぎ、サイクリン結合とキナーゼ活性の両方を阻害します。^{[6] [7]}これらの阻害剤はN末端にKID（キナーゼ阻害ドメイン）を持ち、サイクリンおよびCDKへの結合を容易にします。それらの主な機能は核内で発生し、核への移行を可能にするC末端配列によってサポートされています。^[2]

酵母とショウジョウバエでは、CKI は S-CDK と M-CDK の強力な阻害剤ですが、G1/S-CDK は阻害しません。G1 の間、高レベルの CKI は細胞周期イベントが順序どおりに発生しないようにしますが、G1/S-CDK によって開始される開始チェックポイントの移行は妨げません。細胞周期が開始されると、初期の G1/S-CDK によるリン酸化によって CKI が破壊され、後の細胞周期移行の阻害が解除されます。^[4]哺乳類細胞では、CKI の制御は異なります。哺乳類タンパク質 p27 (ショウジョウバエでは Dacapo) は G1/S-CDK と S-CDK を阻害しますが、S-CDK と M-CDK は阻害しません。^[2]

リガンドベースの阻害法では、細胞周期の重要な調節因子であるCDK2に特異的に結合する小分子またはリガンドを使用します。リガンドはCDK2の活性部位に結合し、その活性を阻害します。これらの阻害剤は、ATPの構造を模倣して活性部位と競合し、細胞周期の進行に必要なタンパク質のリン酸化を阻害するか、アロステリック部位に結合してCDK2の構造を変化させ、その効率を低下させます。^[14]

CDK は細胞周期の制御と調節に不可欠です。これらは小さな調節サブユニット ( CKS ) と関連しています。哺乳類細胞では、CKS1とCKS2 の2 つの CKS が知られています。これらのタンパク質は CDK が適切に機能するために必要ですが、その正確な機能はまだ完全にはわかっていません。CKS1 と CDK のカルボキシ末端ローブの間に相互作用が起こり、そこで結合します。この結合により、サイクリン-CDK 複合体の基質、特に複数のリン酸化部位を持つ基質に対する親和性が増加し、細胞増殖の促進に寄与します。^[20]

ウイルスはサイクリンと配列相同性を持つタンパク質をコードすることができる。よく研究されている例の1つは、カポジ肉腫ヘルペスウイルス（カポジ肉腫を参照）のKサイクリン（またはvサイクリン）で、CDK6を活性化する。vサイクリン-CDK6複合体は、pRbをリン酸化してE2Fを放出することにより、細胞内のG1期からS期への移行を加速させる。これにより、サイクリンE-CDK2の酵素活性に対する阻害が解除される。vサイクリンは、主にp27 pSer10のリン酸化と細胞質隔離に対する効果を通じて、形質転換と腫瘍形成の促進に寄与することが示されている。^[21]

2種類のタンパク質、p35とp39は、出生後の発達における神経分化中にCDK5の活性を高める役割を果たしています。^[22] p35とp39は、神経発達とネットワーク形成におけるCDK5活性を制御するための独自のメカニズムで重要な役割を果たしています。これらの補因子（p35とp39）によるCDKの活性化には、活性化ループのリン酸化は必要ありません。これは、他の多くのキナーゼの従来の活性化とは異なります。これは、適切な神経発達、樹状突起棘とシナプスの形成、およびてんかんイベントへの反応に不可欠なCDK5活性の活性化の重要性を強調しています。^{[22] [23]}

RINGO/Speedy グループのタンパク質は、サイクリンファミリーとアミノ酸配列の相同性を持たないタンパク質の中でも際立ったグループです。これらは CDK の活性化に重要な役割を果たします。もともとアフリカツメガエルで特定されたこれらのタンパク質は、サイクリンとの相同性がないにもかかわらず、主に CDK1 と CDK2 に結合して活性化します。特に興味深いのは、RINGO/Speedy によって活性化された CDK は、サイクリンによって活性化された CDK が標的とする部位とは異なる部位をリン酸化できることです。これは、これらの非サイクリン CDK 活性化因子のユニークな作用機序を示しています。^[24]

CDK とサイクリンの調節異常は細胞周期の調整を乱し、主に癌をはじめとするさまざまな疾患の発症に関与します。したがって、サイクリンとサイクリン依存性キナーゼ (CDK) の研究は、癌の特徴を理解する上で不可欠です。^{[2] [25]}研究によると、サイクリン、CDK、CDK 阻害剤 (CKI) の変化はほとんどの癌で一般的であり、染色体転座、点突然変異、挿入、欠失、遺伝子過剰発現、フレームシフト変異、ミスセンス変異、またはスプライシングエラーが関与しています。^[2]

CDK4/6-RB 経路の調節不全は多くの癌に共通する特徴であり、サイクリン D-CDK4/6 複合体を不活性化するさまざまなメカニズムに起因することが多い。いくつかのシグナルがサイクリン D の過剰発現を引き起こし、CDK4/6 活性を高め、腫瘍形成に寄与する可能性がある。^{[1] [2]}さらに、CDK4/6-RB 経路は p21CIP1 転写を介して p53 シグナル伝達経路と相互作用し、サイクリン D-CDK4/6 複合体とサイクリン E-CDK2 複合体の両方を阻害する可能性がある。p53 の変異は G1 チェックポイントを不活性化し、制御不能な増殖をさらに促進する可能性がある。^{[1] [2]}

CDKは細胞周期の進行と細胞増殖を制御する上で中心的な役割を果たしているため、がんの理想的な治療標的と考えられています。^[25]以下のCDK4/6阻害剤は、効果的で副作用プロファイルを管理しやすい標的療法を提供し、がん治療に大きな進歩をもたらしています。

1. FDAによって承認された最初のCDK4/6阻害剤の1つであるパルボシクリブは、HR+ / HER2-進行性または転移性乳がんの治療に不可欠なものとなり、内分泌療法と併用されることが多い。^[26]
2. リボシクリブはパルボシクリブと同様の有効性を示し、HR+/HER2-進行乳がんにも承認されており、より若い患者層に利益をもたらします。^[27]
3. アベマシクリブは、特定のHR+/HER2-乳がん患者に対して、併用療法に加えて単剤療法としても使用できるという点で際立っています。また、脳転移患者の治療にも有効性を示しています。^[27]
4. トリラシクリブは、治療の遅延や投与量の減少につながる可能性のある一般的な副作用である化学療法誘発性骨髄抑制のリスクを軽減することで、がん治療中の患者の生活の質を改善することでその価値を証明しました。^[27]

CDK薬の開発の複雑さには、多くのCDKが細胞周期に関与しておらず、転写、神経生理学、グルコース恒常性などの他のプロセスに関与しているという事実が含まれます。^[30]しかし、CDKを介した経路の破壊は潜在的に深刻な結果をもたらすため、さらなる研究が必要です。CDK阻害剤は有望に見えますが、副作用を制限して標的細胞のみに影響を与える方法を決定する必要があります。このような疾患は現在、グルココルチコイドで治療されています。^[31]グルココルチコイドとの比較は、副作用をより狭く標的化または最小限に抑えることができると仮定した場合のCDK阻害剤の潜在的な利点を示すのに役立ちます。^[32]

• 細胞周期
• タンパク質キナーゼ
• 酵素触媒
• 酵素阻害剤

• 米国国立医学図書館医学件名表(MeSH)のサイクリン依存性キナーゼ