プロテインキナーゼA

PKAは、さまざまなシグナルに応答して環状アデノシン一リン酸（cAMP）と呼ばれるセカンドメッセンジャーのレベルが上昇すると触媒サブユニットが放出されることで活性化されると考えられてきたため、cAMP依存性タンパク質キナーゼとしても一般的に知られています。しかし、調節AKAP結合シグナル伝達複合体を含む完全なホロ酵素複合体を評価した最近の研究では、特に生理的濃度のcAMPでは、PKAの触媒活性の局所的な細胞内活性化は、調節成分と触媒成分の物理的な分離なしに進行する可能性があることが示唆されています。^{[ 6 ] [ 7 ]}対照的に、実験的に誘発された超生理的濃度のcAMP（細胞内で通常観察されるよりも高い濃度）は、ホロ酵素の分離と触媒サブユニットの放出を引き起こすことができます。^{[ 6 ]}

グルカゴンやエピネフリンなどの細胞外ホルモンは、標的細胞上のGタンパク質共役受容体（GPCR）に最初に結合することで、細胞内シグナル伝達カスケードを開始し、プロテインキナーゼAの活性化を引き起こします。GPCRが細胞外リガンドによって活性化されると、受容体に構造変化が生じ、タンパク質ドメインダイナミクスによって結合した細胞内ヘテロ三量体Gタンパク質複合体に伝達されます。刺激されたGタンパク質複合体のGsαサブユニットは、GPCRによって触媒される反応でGDPをGTPに交換し、複合体から放出されます。活性化されたGsαサブユニットは、アデニル酸シクラーゼと呼ばれる酵素に結合して活性化し、アデニル酸シクラーゼはATPをcAMPに変換する反応を触媒し、cAMPレベルを直接増加させます。4つのcAMP分子が2つの調節サブユニットに結合することができます。これは、2つのcAMP分子が2つのcAMP結合部位（CNB-BとCNB-A）のそれぞれに結合することによって行われ、PKAの調節サブユニットの構造変化を誘発し、サブユニットが分離して、活性化された2つの触媒サブユニットが解放される。^{[ 8 ]}

阻害性調節サブユニットから解放されると、触媒サブユニットは最小基質コンテキスト Arg-Arg-X-Ser/Thr で他の多くのタンパク質をリン酸化することができるが、 ^{[ 9 ]} PKA の耐熱性擬似基質阻害剤である PKI による調節を含む他の層の調節を受ける。^{[ 7 ] [ 10 ]}

PKA活性化に関わる手順を以下に示します。

1. 細胞質cAMPが増加する
2. 各PKA調節サブユニットには2つのcAMP分子が結合する。
3. 調節サブユニットが触媒サブユニットの活性部位から移動し、R2C2複合体が解離する。
4. 遊離触媒サブユニットはタンパク質と相互作用し、セリン残基またはトレオニン残基をリン酸化する。

遊離した触媒サブユニットは、ATP末端リン酸基をタンパク質基質のセリン残基またはトレオニン残基に転移させる反応を触媒する。このリン酸化は通常、基質の活性変化をもたらす。PKAは様々な細胞に存在し、異なる基質に作用するため、PKA調節とcAMP調節は多くの異なる経路に関与している。

さらなる効果のメカニズムは、直接的なタンパク質リン酸化とタンパク質合成に分けられる。

• 直接的なタンパク質リン酸化において、PKAはタンパク質の活性を直接的に増加または減少させる。
• タンパク質合成において、PKAはまずCREBを直接活性化し、CREBはcAMP応答配列（CRE）に結合することで転写を変化させ、ひいてはタンパク質の合成を変化させる。一般的に、このメカニズムにはより長い時間（数時間から数日）を要する。

基質ペプチドのセリン/トレオニン残基は、ヒドロキシル基が結合したATP分子のγリン酸基に面するように配向している。基質ATPと2つのMg2+イオンは、PKAの触媒サブユニットと密接な接触を形成する。活性コンフォメーションでは、CヘリックスがN末端ローブに密着し、保存されたDFGモチーフのアスパラギン酸残基がMg2+イオンをキレートし、ATP基質の位置決めを助ける。ATPの三リン酸基は、γリン酸をペプチド基質のセリン/トレオニンに転移するために、アデノシンポケットから外側を向いている。αリン酸基とβリン酸基の位置決めを媒介する保存残基がいくつかあり、その中にはグルタミン酸(E)91とリジン(K)72が含まれる。ペプチド基質のセリン/トレオニンのヒドロキシル基が、SN2求核反応によってリン原子上のγリン酸基を攻撃し、その結果、末端リン酸がペプチド基質に転移し、βリン酸基とγリン酸基間のホスホジエステル結合が切断される。PKAはタンパク質キナーゼ生物学を理解するためのモデルとして機能し、保存された残基の位置は、ヒトキノームの活性型タンパク質キナーゼと不活性型偽キナーゼを区別するのに役立つ。

プロテインキナーゼAのダウンレギュレーションはフィードバック機構によって起こり、PKAによって活性化される基質に属する多数のcAMP加水分解ホスホジエステラーゼ（PDE）酵素が利用される。ホスホジエステラーゼはcAMPをAMPに素早く変換し、プロテインキナーゼAを活性化できるcAMPの量を減少させる。PKAはまた、自己リン酸化による修飾やPDK1などの調節キナーゼによるリン酸化を含む複雑な一連のリン酸化イベントによっても調節される。^{[ 7 ]}

このように、PKAは部分的にcAMP濃度によって制御されている。また、触媒サブユニット自体もリン酸化によってダウンレギュレーションされることがある。

PKAの調節サブユニット二量体は、細胞内でのキナーゼの局在化に重要である。二量体の二量体化・ドッキング（D/D）ドメインは、Aキナーゼアンカータンパク質（AKAP）のAキナーゼ結合（AKB）ドメインに結合する。AKAPは、PKAを細胞内の様々な場所（例えば、細胞膜、ミトコンドリアなど）に局在させる。

AKAPは他の多くのシグナル伝達タンパク質と結合し、細胞内の特定の場所に非常に効率的なシグナル伝達ハブを形成します。例えば、心筋細胞の核付近に位置するAKAPは、PKAとホスホジエステラーゼ（cAMPを加水分解する酵素）の両方と結合します。cAMPが調節サブユニットに結合すると触媒サブユニットが活性化されるため、細胞はPKAの活性を制限することができます。

エピネフリンとグルカゴンは、アデニル酸シクラーゼを介してGタンパク質機構により細胞内のcAMPレベルを変化させることで、プロテインキナーゼAの活性に影響を与えます。プロテインキナーゼAは、代謝において重要な多くの酵素をリン酸化します。例えば、プロテインキナーゼAはアセチルCoAカルボキシラーゼとピルビン酸デヒドロゲナーゼをリン酸化します。このような共有結合修飾はこれらの酵素に対して阻害効果を持ち、脂肪生成を抑制し、正味の糖新生を促進します。一方、インスリンはこれらの酵素のリン酸化レベルを低下させ、代わりに脂肪生成を促進します。糖新生は筋細胞では起こらないことを思い出してください。

PKAは、報酬、動機付け、およびタスクの顕著性を媒介する側坐核の細胞にドーパミンシグナルを伝達/翻訳するのを助けます。報酬知覚の大部分は側坐核の神経活性化を伴い、その例としては、セックス、娯楽用薬物、および食物などがあります。プロテインキナーゼAシグナル伝達経路は、エタノール摂取量とその鎮静効果の調節に役立ちます。マウスの研究では、遺伝的にcAMP-PKAシグナル伝達が低下したマウスはエタノール摂取量が少なくなり、その鎮静効果に対してより敏感になることが報告されています。^{[ 18 ]}

PKAはAKAPに結合した後、特定の細胞内局所に誘導される。リアノジン受容体（RyR）は筋AKAPと共局在し、RyRのリン酸化とCa2 ⁺の流出はAKAPによるRyRへのPKAの局在によって増加する。^{[ 19 ]}

カテコールアミン（特にノルエピネフリン）によって活性化されるβ1アドレナリン受容体と呼ばれるGPCRを介したカスケードにおいて、PKA_が活性化され、L型カルシウムチャネル、ホスホランバン、トロポニンI、ミオシン結合タンパク質C、カリウムチャネルなど多数の標的がリン酸化される。これにより、収縮力と弛緩力がともに増加し、収縮力が増加するとともに、筋肉がより速く弛緩できるようになる。^{[ 20 ] [ 21 ]}

PKAは記憶形成において常に重要であると考えられてきた。ショウジョウバエでは、 DCO（PKA触媒サブユニットをコードする遺伝子）の発現活性の低下は、重度の学習障害、中期記憶および短期記憶を引き起こす可能性がある。長期記憶は、PKAによって制御されるCREB転写因子に依存している。ショウジョウバエで行われた研究では、PKA活性の増加が短期記憶に影響を与える可能性があることが報告されている。しかし、PKA活性が24%減少すると学習能力が阻害され、16%減少すると学習能力と記憶保持の両方に影響が出た。正常な記憶の形成はPKAレベルに非常に敏感である。^{[ 22 ]}