キナーゼ

生化学において、キナーゼ（/ ˈ k aɪ n eɪ s、ˈ k ɪ n eɪ s、- eɪ z / ）^[2]は、高エネルギーリン酸供与分子から特定の基質へのリン酸基の転移を触媒する酵素です。このプロセスはリン酸化として知られており、高エネルギーATP分子が基質分子にリン酸基を供与します。その結果、キナーゼはリン酸化基質とADPを生成します。逆に、リン酸化基質がリン酸基を供与し、ADPがリン酸基を獲得する（脱リン酸化基質と高エネルギー分子ATPを生成する）ことを脱リン酸化と呼びます。リン酸化と脱リン酸化の2つのプロセスは、解糖中に4回発生します。^{[3] [4] [5]}

キナーゼは、ホスホトランスフェラーゼのより大きなファミリーの一部です。キナーゼは、受容体への無機リン酸基の付加を触媒するホスホリラーゼや、リン酸基を除去（脱リン酸化）するホスファターゼと混同しないでください。タンパク質、脂質、炭水化物など、分子のリン酸化状態は、その活性、反応性、および他の分子に結合する能力に影響する可能性があります。したがって、キナーゼは、代謝、細胞シグナル伝達、タンパク質調節、細胞輸送、分泌プロセス、およびその他の多くの細胞経路に不可欠であり、生理学にとって非常に重要です。

キナーゼは、下の図に示すように、高エネルギー分子（ ATPなど）から基質分子へのリン酸部分の転移を媒介します。リン酸無水物結合には高レベルのエネルギーが含まれているため、この反応を安定化するにはキナーゼが必要です。キナーゼは、活性部位内で基質とリン酸基を適切に配向し、反応速度を高めます。さらに、キナーゼは一般に正に帯電したアミノ酸残基を使用し、負に帯電したリン酸基と相互作用することで遷移状態を静電的に安定化します。あるいは、一部のキナーゼは、活性部位に結合した金属補因子を利用してリン酸基を調整します。タンパク質キナーゼは、触媒活性（標準）または擬似キナーゼに分類できます。擬似キナーゼは、ATPを配置または加水分解する1つ以上の触媒アミノ酸の進化的喪失を反映しています。^[6]ただし、シグナル出力と疾患との関連性の観点から、キナーゼと擬似キナーゼはどちらもヒト細胞における重要なシグナル伝達調節因子であり、キナーゼは重要な薬剤ターゲットとなっています。^[7]

キナーゼは、シグナルを伝達し、細胞内の複雑なプロセスを制御するために広く使用されています。分子のリン酸化は、分子の活性を増強または阻害し、他の分子と相互作用する能力を調節することができます。さまざまなキナーゼがさまざまな状態やシグナルに反応できるため、リン酸化基の追加と除去は細胞に制御手段を提供します。機能喪失または機能獲得につながるキナーゼの変異は、がん^{[8]や、特定の種類の}白血病や神経芽腫、神経膠芽腫^{[9] 、} 脊髄小脳失調症(タイプ 14)、無ガンマグロブリン血症の形態など、ヒトの疾患を引き起こす可能性があります。^[10]

ATP を使用して別のタンパク質のリン酸化を触媒することが認識された最初のタンパク質は、1954 年にEugene P. Kennedyによって観察され、その時点で彼はカゼインのリン酸化を触媒する肝臓酵素について説明しました。^[要出典] 1956 年に、Edmond H. FischerとEdwin G. Krebs は、ホスホリラーゼ a とホスホリラーゼ b 間の相互変換がリン酸化と脱リン酸化によって媒介されることを発見しました。^[11]ホスホリラーゼ b にリン酸基を転移してホスホリラーゼ a に変換するキナーゼは、ホスホリラーゼキナーゼと命名されました。数年後、キナーゼカスケードの最初の例が特定され、タンパク質キナーゼ A (PKA) がホスホリラーゼキナーゼをリン酸化しました。同時に、PKA がグリコーゲン合成酵素を阻害することが判明しました。これは、阻害をもたらしたリン酸化イベントの最初の例でした。 1969年、レスター・リードはピルビン酸脱水素酵素がリン酸化によって不活性化されることを発見し、この発見は、リン酸化がグリコーゲン代謝以外の代謝経路の調節手段として機能している可能性があるという最初の手がかりとなった。同年、トム・ランガンはPKAがヒストンH1をリン酸化することを発見し、リン酸化が非酵素タンパク質を調節する可能性があることを示唆した。1970年代には、カルモジュリン依存性タンパク質キナーゼの発見と、タンパク質が1つ以上のアミノ酸残基でリン酸化される可能性があるという発見があった。1990年代は「タンパク質キナーゼカスケードの10年」と言える。この時期に、MAPK/ERK経路、JAKキナーゼ（タンパク質チロシンキナーゼのファミリー）、およびPIP3依存性キナーゼカスケードが発見された。^[12]

キナーゼは、作用する基質によって、タンパク質キナーゼ、脂質キナーゼ、炭水化物キナーゼという幅広いグループに分類されます。キナーゼは、細菌からカビ、線虫、哺乳類まで、さまざまな種に存在します。^[13]ヒトでは、500種類を超えるキナーゼが特定されています。^[3]キナーゼの多様性とシグナル伝達における役割により、キナーゼは興味深い研究対象となっています。他のさまざまなキナーゼが、脂質、炭水化物、アミノ酸、ヌクレオチドなどの小分子に作用して、シグナル伝達または代謝経路の準備を行います。特定のキナーゼは、多くの場合、その基質にちなんで命名されています。タンパク質キナーゼは、多くの場合、複数の基質を持ち、タンパク質は複数の特定のキナーゼの基質として機能することができます。このため、タンパク質キナーゼは、その活性を制御するものに基づいて命名されています（例：カルモジュリン依存性タンパク質キナーゼ）。いくつかのアイソザイム形式があるため、さらにカテゴリに細分されることもあります。例えば、I型およびII型の環状AMP依存性タンパク質キナーゼは、同一の触媒サブユニットを有するが、環状AMPに結合する調節サブユニットは異なる。^[14]

タンパク質キナーゼは、タンパク質のセリン、スレオニン、チロシン、またはヒスチジン残基をリン酸化することでタンパク質に作用します。リン酸化は、タンパク質の機能をさまざまな方法で変更することができます。タンパク質の活性を増減したり、安定化したり、破壊のためにマークしたり、特定の細胞区画内に局在させたり、他のタンパク質との相互作用を開始したり、阻害したりすることができます。タンパク質キナーゼはすべてのキナーゼの大部分を占めており、広く研究されています。^{[15]これらのキナーゼは、}ホスファターゼと連携して、タンパク質と酵素の調節、および細胞内のシグナル伝達 に大きな役割を果たします。

細胞が生物学的調節を達成するさまざまな方法について考えるとき、よくある混乱が生じます。細胞タンパク質が受けることができる共有結合修飾の例は無数にありますが、リン酸化は数少ない可逆的な共有結合修飾の 1 つです。これが、タンパク質のリン酸化が調節的であるという理論的根拠となりました。アロステリック制御による調節に加えて、タンパク質を共有結合的に修飾する方法が多数あることを考えると、タンパク質機能の調節の可能性は非常に大きいです。エドウィン クレブスは、ホプキンス記念講演で、アロステリック制御は細胞内から発生するシグナルに応答するように進化したのに対し、リン酸化は細胞外のシグナルに応答するように進化したと主張しました。この考えは、より複雑な細胞タイプがより幅広いシグナルに応答するように進化したため、タンパク質のリン酸化が原核細胞と比較して真核細胞でより頻繁に発生するという事実と一致しています。^[14]

サイクリン依存性キナーゼ（CDK）は、細胞周期の調節に関与するいくつかの異なるキナーゼのグループです。CDKはセリンまたはスレオニン残基上の他のタンパク質をリン酸化しますが、CDKが活性化するには、まずサイクリンタンパク質に結合する必要があります。 ^{[16]特定のCDKとサイクリンのさまざまな組み合わせが、細胞周期のさまざまな部分をマークします。さらに、CDKのリン酸化状態もCDKの活性に重要であり、CDKは他のキナーゼ（} CDK活性化キナーゼなど）やホスファターゼ（ Cdc25など）による制御を受けます。 ^[17] CDKが活性化すると、他のタンパク質をリン酸化してその活性を変化させ、細胞周期の次の段階に必要なイベントを引き起こします。CDKは細胞周期制御の機能で最もよく知られていますが、転写、代謝、その他の細胞イベントにも役割を果たしています。^[18]

CDKは細胞分裂を制御する上で重要な役割を果たしているため、がん細胞ではCDKの変異がよく見られます。これらの変異は細胞の制御不能な増殖につながり、細胞は急速に細胞周期全体を繰り返します。^{[19] CDKの変異は}リンパ腫、乳がん、膵臓 腫瘍、肺がんで見られます。そのため、CDKの阻害剤はいくつかの種類のがんの治療薬として開発されてきました。^[19]

MAP キナーゼ(MAPK) は、さまざまな細胞外成長シグナルに反応するセリン/スレオニン キナーゼのファミリーです。たとえば、成長ホルモン、上皮成長因子、血小板由来成長因子、インスリンはすべて、MAPK 経路に関与できる分裂促進刺激であると考えられています。受容体レベルでこの経路が活性化されると、シグナル伝達カスケードが開始され、Ras GTPase がGDP をGTPに交換します。次に、Ras はRaf キナーゼ(MAPKKK とも呼ばれる) を活性化し、Raf キナーゼはMEK (MAPKK) を活性化します。MEK はMAPK (ERK とも呼ばれる) を活性化し、転写と翻訳の調節に進むことができます。RAF と MAPK はどちらもセリン/スレオニン キナーゼですが、MAPKK はチロシン/スレオニン キナーゼです。

MAPKは転写因子を直接的または間接的に制御することができます。主な転写ターゲットには、ATF-2、Chop、c-Jun、c-Myc、DPC4、Elk-1、Ets1、Max、MEF2C、NFAT4、Sap1a、STATs、Tal、p53、CREB、Mycなどがあります。MAPKは、大リボソームサブユニットのS6キナーゼをリン酸化することで翻訳を制御することもできます。また、Ras、Sos、EGF受容体自体を含むMAPKシグナル伝達カスケードの上流部分の成分をリン酸化することもできます。^[20]

MAPK経路の発がん性は臨床的に重要である。MAPK経路は細胞プロセスに関与しており、制御不能な増殖とそれに続く腫瘍形成につながる可能性がある。この経路内の変異は、細胞分化、増殖、生存、アポトーシスに対する制御効果を変化させ、これらはすべてさまざまな形態の癌に関与している。^[20]

脂質キナーゼは細胞内の脂質を、細胞膜上と細胞小器官の膜上でリン酸化します。リン酸基の付加により脂質の反応性と局在性が変化し、信号伝達に利用することができます。

ホスファチジルイノシトールキナーゼはホスファチジルイノシトール種をリン酸化して、ホスファチジルイノシトール 3,4-ビスリン酸(PI(3,4)P ₂ )、ホスファチジルイノシトール 3,4,5-トリスリン酸(PIP ₃ )、ホスファチジルイノシトール 3-リン酸(PI3P) などの種を生成します。キナーゼには、ホスホイノシチド 3-キナーゼ(PI3K)、ホスファチジルイノシトール-4-リン酸 3-キナーゼ、ホスファチジルイノシトール-4,5-ビスリン酸 3-キナーゼが含まれます。ホスファチジルイノシトールのリン酸化状態は、インスリンシグナル伝達経路などの細胞シグナル伝達で重要な役割を果たしており、エンドサイトーシス、エキソサイトーシス、およびその他の輸送イベントでも役割を果たしています。^{[21] [22]} PI3Kなどのこれらのキナーゼの変異は、癌やインスリン抵抗性につながる可能性があります。^[23]

キナーゼ酵素は、イノシトールヒドロキシル基をより求核性にすることで反応速度を速めます。多くの場合、アミノ酸残基の側鎖を一般的な塩基として機能させ、ヒドロキシルを脱プロトン化します。これは以下のメカニズムに示されています。^{[24]ここでは、}アデノシン三リン酸（ATP）とホスファチジルイノシトールの反応が調整されています。最終結果は、ホスファチジルイノシトール-3-リン酸とアデノシン二リン酸（ADP）です。酵素は、ATP分子とイノシトール基を適切に配向させ、反応をより速く進めるのにも役立ちます。この目的のために、金属イオンが調整されることがよくあります。^[24]

スフィンゴシンキナーゼ（SK）は、スフィンゴシンからスフィンゴシン-1-リン酸（S1P）への変換を触媒する脂質キナーゼです。スフィンゴ脂質は、遍在する膜脂質です。活性化されると、スフィンゴシンキナーゼは細胞質から細胞膜に移動し、 ATPまたはGTPからスフィンゴシンにγリン酸（最後のまたは末端リン酸）を転移します。S1P受容体はGPCR受容体であるため、S1PはGタンパク質シグナル伝達を制御する能力を持っています。結果として生じるシグナルは、ERK、Rho GTPase、Rac GTPase、PLC 、およびAKT / PI3Kなどの細胞内エフェクターを活性化できます。また、細胞内の標的分子にも影響を及ぼします。S1Pは、 HDACのヒストン脱アセチル化酵素活性を直接阻害することが示されています。対照的に、脱リン酸化スフィンゴシンは細胞のアポトーシスを促進するため、SK は細胞運命を決定する役割を果たすため、SK の調節を理解することは非常に重要です。過去の研究では、SK は細胞増殖を促進するため癌細胞の増殖を維持する可能性があり、SK1 (SK の特定のタイプ) は特定のタイプの癌で高濃度で存在することが示されています。

哺乳類細胞にはSK1とSK2という2つのキナーゼが存在する。SK1はSK2に比べてより特異的であり、発現パターンも異なる。SK1は肺、脾臓、白血球細胞で発現し、SK2は腎臓と肝臓の細胞で発現する。これら2つのキナーゼは細胞の生存、増殖、分化、炎症に関与しているため、化学療法の候補として有望である。^[25]

多くの哺乳類にとって、炭水化物は1日のカロリー必要量の大部分を占めています。オリゴ糖からエネルギーを得るには、まず単糖に分解して代謝に回せるようにする必要があります。キナーゼは、ほぼすべての代謝経路で重要な役割を果たしています。左の図は、キナーゼによって触媒される2つの重要な反応を含む解糖系の第2段階を示しています。1,3-ビスホスホグリセリン酸の無水物結合は不安定で、エネルギーが高くなります。1,3-ビスホスホグリセリン酸キナーゼは、3-ホスホグリセリン酸とATPを生成する反応を実行するためにADPを必要とします。解糖系の最終段階では、ピルビン酸キナーゼがホスホエノールピルビン酸からADPにリン酸基を転移し、ATPとピルビン酸を生成します。

ヘキソキナーゼは、細胞内に初めて入ったグルコースを利用する最も一般的な酵素です。ATPのガンマリン酸をC6位に転移させることで、D-グルコースをグルコース-6-リン酸に変換します。これは解糖系において重要なステップです。なぜなら、負電荷によってグルコースを細胞内に閉じ込めるからです。脱リン酸化型のグルコースは、膜を非常に簡単に行き来できます。 ^{[26]ヘキソキナーゼ遺伝子の変異は}ヘキソキナーゼ欠乏症を引き起こし、非球状溶血性貧血を引き起こす可能性があります。 ^[27]

ホスホフルクトキナーゼ（PFK）は、フルクトース-6-リン酸からフルクトース-1,6-ビスリン酸への変換を触媒し、解糖系の調節において重要なポイントです。高レベルのATP、H ⁺、クエン酸はPFKを阻害します。クエン酸レベルが高い場合、解糖系が最適な速度で機能していることを意味します。高レベルのAMPはPFKを刺激します。運動不耐性につながるグリコーゲン貯蔵疾患であるタルイ病は、PFK遺伝子の変異によりその活性が低下することが原因です。 ^[28]

キナーゼは、タンパク質、脂質、炭水化物以外にも多くの分子に作用します。ヌクレオチド（DNAとRNA）に作用するキナーゼは多く、ヌクレオシドリン酸キナーゼやヌクレオシド二リン酸キナーゼなど、ヌクレオチドの相互変換に関与するものも含まれます。^{[30]キナーゼの基質となる他の小分子には、}クレアチン、ホスホグリセリン酸、リボフラビン、ジヒドロキシアセトン、シキミ酸など があります。

リボフラビンキナーゼはリボフラビンのリン酸化を触媒してフラビンモノヌクレオチド（FMN）を生成します。リボフラビンはATP分子に結合する前にキナーゼに結合する必要があるという規則的な結合メカニズムを持っています。^[31] 二価 カチオンはヌクレオチドの配位を助けます。^[31]一般的なメカニズムを下の図に示します。

リボフラビンキナーゼは細胞内で重要な役割を果たしており、FMNは重要な補因子である。FMNはフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）の前駆体でもあり、これは代謝に関与する多くの酵素によって使用される酸化還元補因子である。実際、リボフラビンからFMNへのリン酸化と、FMNからFADへの反応の両方を行うことができる酵素が存在する。^[32]リボフラビンキナーゼは脳卒中の予防に役立つ可能性があり、将来的には治療薬として使用される可能性がある。^[33]マウスでの研究によると、感染にも関与していることが示唆されている。^[34]

チミジンキナーゼは、ヌクレオシドのリン酸化を司る多くのヌクレオシドキナーゼの 1 つです。チミジンをリン酸化してチミジン一リン酸(dTMP) を生成します。このキナーゼは、以下に示すように、ATP 分子を使用してチミジンにリン酸を供給します。チミジンキナーゼ、およびその他のヌクレオシドおよびヌクレオチドキナーゼによる、1 つのヌクレオチドから別のヌクレオチドへのリン酸の転送は、さまざまなヌクレオチドのそれぞれのレベルを制御するのに役立ちます。

dTMP分子が生成されると、別のキナーゼであるチミジル酸キナーゼがdTMPに作用して二リン酸型のdTDPを生成する。ヌクレオシド二リン酸キナーゼは、DNA合成に使用されるチミジン三リン酸（dTTP）の生成を触媒する。このため、チミジンキナーゼ活性は細胞周期と密接に相関しており、臨床化学では腫瘍マーカーとして使用されている。^[35]したがって、患者の予後を予測するために使用できる場合がある。^[36]チミジンキナーゼ遺伝子に変異がある患者は、特定のタイプのミトコンドリアDNA枯渇症候群を患っている可能性があり、これは幼児期に死亡につながる疾患である。^[37]

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• 活性化ループ
• 自己リン酸化
• Ca ²⁺ /カルモジュリン依存性タンパク質キナーゼ
• 細胞シグナル伝達
• サイクリン依存性キナーゼ
• Gタンパク質共役受容体
• NDRキナーゼ
• ヌクレオシド二リン酸キナーゼ
• ホスファターゼ
• ホスファチジルイノシトールリン酸キナーゼ
• リン脂質
• リン酸化タンパク質
• リン酸化
• ホスホトランスフェラーゼ
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