マイトジェン活性化プロテインキナーゼ

マイトジェン活性化プロテインキナーゼ（MAPKまたはMAPキナーゼ）は、セリン/スレオニン特異的プロテインキナーゼの一種で、 マイトジェン、浸透圧ストレス、熱ショック、炎症性サイトカインなどの多様な刺激に対する細胞応答を誘導する役割を担っています。増殖、遺伝子発現、分化、有糸分裂、細胞生存、アポトーシスなどの細胞機能を調節します。^[1]

MAP キナーゼは真核生物にのみ存在しますが、その多様性は極めて高く、すべての動物、菌類、植物、さらにはさまざまな単細胞真核生物にも存在します。^{[引用が必要]}

MAPKはCMGC（CDK/MAPK/GSK3/CLK）キナーゼグループに属します。MAPKに最も近いのはサイクリン依存性キナーゼ（CDK）です。^[2]

最初に発見されたミトゲン活性化タンパク質キナーゼは、哺乳類のERK1 ( MAPK3 ) でした。ERK1 とその近縁種である ERK2 ( MAPK1 ) はどちらも成長因子シグナル伝達に関与しているため、このファミリーは「ミトゲン活性化」と呼ばれていました。他のメンバー、さらには遠い生物 (植物など) の発見により、この名前は誤った呼び名であることがますます明らかになりました。なぜなら、ほとんどの MAPK は実際には潜在的に有害な非生物的ストレス刺激 (高浸透圧、酸化ストレス、DNA 損傷、低浸透圧、感染など) への反応に関与しているからです。植物はストレスから「逃げる」ことができないため、陸生植物は生物 1 体あたりの MAPK 遺伝子の数がこれまで発見された中で最多です^[要出典]。したがって、細胞増殖の調節因子としての哺乳類 ERK1/2 キナーゼの役割は、一般的な機能ではなく、高度に特殊化された機能です。

ほとんどのMAPKには、2つのリン酸化イベントに依存する活性化、3層の経路構造、類似した基質認識部位など、いくつかの共通した特徴があります。これらは「古典的な」MAPキナーゼです。しかし、上に概説したように、このグループには二重のリン酸化部位を持たず、2層の経路のみを形成し、基質結合のために他のMAPKに必要な特徴を欠いている古い外れ値もいくつかあります。これらは通常「非定型」MAPKと呼ばれます。^[3]非定型MAPKが古典的なMAPKとは対照的に単一のグループを形成するかどうかはまだ不明です。^{[説明が必要]}

哺乳類の MAPK キナーゼファミリーには、次の 3 つのサブファミリーが含まれます。

1. 細胞外シグナル制御キナーゼ（ERK）
2. c-Jun N末端キナーゼ（JNK）
3. p38ミトゲン活性化プロテインキナーゼ（p38s）^{[4] [5]}

一般的に、ERKは成長因子やミトゲンによって活性化され、一方、細胞ストレスや炎症性サイトカインはJNKやp38を活性化します。^[4]

マイトジェン活性化タンパク質キナーゼは、基本形態では触媒的に不活性です。活性化するには、活性化ループ内での（場合によっては複数の）リン酸化イベントが必要です。これは、STE タンパク質キナーゼ グループの特殊な酵素によって行われます。このようにして、タンパク質ダイナミクスは、長距離アロステリーを介してタンパク質の構造の立体配座変化を誘発することができます。

古典的な MAP キナーゼの場合、活性化ループには特徴的な TxY (スレオニン x チロシン) モチーフ (哺乳類ERK1およびERK2では TEY 、ERK5では TDY 、JNKでは TPY、 p38 キナーゼでは TGY ) が含まれており、キナーゼドメインを触媒的に有効な構造に固定するためには、スレオニンとチロシン残基の両方がリン酸化される必要があります。in vivoおよびin vitroでは、チロシンのリン酸化はスレオニンのリン酸化に先行することがよくありますが、どちらかの残基のリン酸化は、もう一方の残基がなくても発生する可能性があります。^{[引用が必要]}

このタンデム活性化ループのリン酸化（細胞環境に応じて分配的または進行的であると提案されている）は、MAP2 キナーゼとしても知られる Ste7 タンパク質キナーゼ ファミリーのメンバーによって実行されます。MAP2 キナーゼは、上流のさまざまなセリン-スレオニン キナーゼ（ MAP3 キナーゼ）によるリン酸化によっても活性化されます。MAP2 キナーゼは、同族の MAPK 以外の基質に対してはほとんど活性を示さないため、古典的な MAPK 経路は多層ですが比較的直線的な経路を形成します。これらの経路は、細胞膜（多くの MAP3K が活性化される）から核（MAPK のみが進入できる）または他の多くの細胞内ターゲットに刺激を効果的に伝えることができます。^{[引用が必要]}

3 層の古典的な MAPK 経路と比較すると、一部の非定型 MAP キナーゼはより古い 2 層のシステムを持っているようです。ERK3 ( MAPK6 ) とERK4 (MAPK4) は最近、 PAK キナーゼ(他の MAP3 キナーゼに関連)によって直接リン酸化され、活性化されることが示されました。 ^{[6]古典的な MAP キナーゼとは対照的に、これらの非定型 MAPK は、}活性化ループ内の 1 つの残基がリン酸化されるだけで済みます。NLKとERK7 (MAPK15) の活性化の詳細は不明のままです。

MAPKの不活性化は、いくつかのホスファターゼによって行われます。専用のホスファターゼの非常に保存されたファミリーは、二重特異性ホスファターゼ（DUSP）のサブグループである、いわゆるMAPキナーゼホスファターゼ（MKP）です。 ^[7]名前が示すように、これらの酵素は、ホスホチロシンとホスホトレオニン残基の両方からリン酸を加水分解することができます。いずれかのリン酸基を除去するとMAPK活性が大幅に低下し、基本的にシグナル伝達が失われるため、一部のチロシンホスファターゼもMAPキナーゼの不活性化に関与しています（例：哺乳類のホスファターゼHePTP、STEP、PTPRR）。

上で述べたように、MAPK は通常、実際の MAP キナーゼより数段上の入力を受け取り、多層経路を形成します。MAPK および MAP2K の比較的単純なリン酸化依存性活性化メカニズムとは対照的に、 MAP3K は驚くほど複雑な制御を有します。c -Raf、MEKK4、MLK3などのよく知られたMAP3Kの多くは、活性化に複数のステップを必要とします。これらは通常、アロステリックに制御される酵素であり、複数のメカニズムによって不活性状態にしっかりと固定されています。活性化への最初のステップは、より小さなリガンド ( c-Rafの場合はRas、MEKK4の場合はGADD45 ^[10] 、 MLK3 の場合はCdc42 ^[11]など) による自己阻害の解除です。これは通常 (常に起こるわけではありませんが)、ほとんどの活性化因子が結合している細胞膜で起こります (小さな G タンパク質はプレニル化により恒常的に膜結合していることに留意)。このステップに続いて、アクセス可能になったキナーゼドメインのホモおよびヘテロ二量体化が左右に起こります。最近決定された複合体の構造は、二量体が両方の基質結合領域を空ける方向に形成されることを明らかにしました。^[12]重要なのは、この二量体化イベントによって MAP3 キナーゼドメインが部分的に活性な構造をとらざるを得なくなることです。これらの二量体が活性化ループ上で互いにトランスリン酸化して初めて、完全な活性が達成されます。後者のステップは、補助タンパク質キナーゼ (MAP4 キナーゼ、Ste20 ファミリーのメンバー) によって達成または支援されることもあります。MAP3 キナーゼが完全に活性化すると、その基質 MAP2 キナーゼをリン酸化します。次に、MAP2 キナーゼが MAP キナーゼ基質をリン酸化します。^[要出典]

哺乳類のERK1/2経路は、おそらく最もよく特徴づけられた MAPK システムです。この経路の最も重要な上流活性化因子は、成長因子 ( EGF 、 FGF 、 PDGF など) に対する応答の重要なメディエーターである Raf タンパク質 ( A-Raf、B-Rafまたはc - Raf )ですが、 c-Mos やTpl2/Cotなどの他の MAP3Kも同じ役割を果たすことができます。これらの酵素はすべて、ERK1およびERK2の高度に特異的な活性化因子であるMKK1および/またはMKK2キナーゼをリン酸化して活性化します。後者は、細胞増殖、細胞周期の進行、細胞分裂および分化に重要ないくつかの基質( RSK キナーゼ、 Elk-1転写因子など) をリン酸化します。

比較的よく分離されたERK1/2経路とは対照的に、哺乳類のp38およびJNKキナーゼは、その活性化因子のほとんどがMAP3Kレベルで共有されています（MEKK1、MEKK4、ASK1、TAK1、MLK3、TAOK1など）。さらに、一部のMAP2K酵素はp38とJNKの両方を活性化する可能性がありますが（MKK4 ）、他の酵素はJNK（ MKK7）またはp38（MKK3およびMKK6 ）のいずれかに特異性があります。これらの連動により、p38を同時に活性化することなくJNK活性化を引き起こすことができる刺激、またはp38を逆転させることができる刺激はほとんどありません。^[13] JNKおよびp38シグナル伝達経路は両方とも、サイトカイン、紫外線照射、熱ショック、浸透圧ショックなどのストレス刺激に反応し、ストレスへの適応、アポトーシスまたは細胞分化に関与しています。 JNK には、JNK だけがリン酸化できる専用基質（ c-Jun、NFAT4など）がいくつかあり、p38 にも独自の標的（MAPKAP キナーゼMK2およびMK3など）があるため、ストレスの強い刺激に反応するには両方が必要になります。

ERK5は、哺乳類でかなり明確に分離された経路の一部です。唯一の特異的上流活性化因子MKK5は、MAP3キナーゼMEKK2およびMEKK3に反応して活性化されます。これらの相互作用の特異性は、N末端PB1ドメインを含むMKK5とMEKK2/3のユニークな構造によって提供され、互いに直接ヘテロ二量体化を可能にします。^[14] MKK5のPB1ドメインもERK5-MKK5相互作用に寄与しています。MKK5に見られるDモチーフに加えて、特別なインターフェイスを提供し、それを通じてMKK5は基質ERK5を特異的に認識できます。^[15]分子レベルの詳細はほとんどわかっていませんが、MEKK2とMEKK3は特定の発生シグナルに反応して、内皮形成と心臓形態形成を誘導します。脳の発達にも関係しているが、心臓異常によるERK5不活性化の胎児致死性は、哺乳類の血管形成におけるその中心的な役割を強調している。^{[16]成体動物におけるERK5の}条件付きノックアウトも、内皮バリアの広範な破壊により致死的であることは注目に値する。^[17] ERK5経路の上流成分（CCM複合体）の変異は、ヒトの脳海綿状血管腫の根底にあると考えられている。

真菌のMAPK経路もよく研究されています。酵母では、Fus3 MAPKがフェロモン刺激に反応して細胞周期停止と交配を担っています。フェロモンα因子は7回膜貫通型受容体によって感知されます。Fus3経路成分のリクルートメントと活性化は、ヘテロ三量体Gタンパク質の活性化に厳密に依存しています。交配MAPK経路は3層（Ste11-Ste7-Fus3）で構成されていますが、MAP2およびMAP3キナーゼは別の経路、Kss1または糸状成長経路と共有されています。Fus3とKss1は密接に関連したERK型キナーゼですが、酵母細胞は、交配経路のGタンパク質によって選択的にリクルートされる足場タンパク質Ste5の助けを借りて、それらを個別に活性化することができます。問題は、Ste5が三次複合体の基質としてFus3と結合してSte7を「ロック解除」できるのに対し、Kss1の場合は同じことができず、糸状成長経路はSte5のリクルートメントがない場合にのみ活性化されるという点である。^[18]

真菌にも、哺乳類の JNK/p38 シグナル伝達を彷彿とさせる経路があります。これは Hog1 経路で、高浸透圧 ( Saccharomyces cerevisiae ) または他の多くの非生物的ストレス ( Schizosaccharomyces pombe ) によって活性化されます。この経路の MAP2 キナーゼは Pbs2 (哺乳類の MKK3/4/6/7 に関連) と呼ばれ、活性化に関与する専用の MAP3 キナーゼは Ssk2 と SSk22 です。S . cerevisiaeのシステムは、 Sho1 および Sln1 タンパク質からなる高度な浸透圧感知モジュールによって活性化されますが、他の刺激が Hog1 の活性化を引き起こす方法はまだ不明です。酵母には、細胞壁完全性経路 (Mpk1/Slt2) や胞子形成経路 (Smk1)など、動物に近い相同性を持たない他の多くの MAPK 経路もあります。^[19]

MAPK遺伝子の数が多いにもかかわらず、高等植物のMAPK経路は動物や真菌のものほど研究されていません。シグナル伝達は非常に複雑に見えますが、シロイヌナズナのMPK3、MPK4、MPK6キナーゼは、浸透圧ショック、酸化ストレス、寒さへの反応の重要なメディエーターであり、抗病原体反応に関与しています。^{[20] [21] [22]} Asai et al. 2002のMAPK介在免疫モデルは、エフェクター認識シグナルをFLS2 ⇨ MEKK1 ⇨ MKK4またはMKK5 ⇨ MPK3およびMPK6 ⇨ WRKY22またはWRKY29に渡します。^{[22]しかし、Mészáros} et al. 2006とSuarez-Rodriguez et al. 2007の研究では、この経路に別の順序が与えられており、これらが同時に機能する並行経路である可能性があります。^[22] MPK4変異体は重度の矮小症を示すことから、それらは形態形成にも関与している。^[23]

MAPKファミリーのメンバーは、これまで調査されたすべての真核生物に見られます。特に、古典的および非定型MAPキナーゼはどちらも、主要な真核生物グループの放散の根源まで遡ることができます。陸生植物には、無数の非生物的ストレスへの反応に関与する4つの古典的MAPKグループ（MAPK-A、MAPK-B、MAPK-C、MAPK-D）が含まれています。^[25]しかし、これらのグループのいずれも、後生動物（菌類および動物）に見られる古典的MAPKのクラスターと直接同一視することはできません。後者では、古典的MAPKの主要なサブグループがERK/Fus3様ブランチ（後生動物ではさらにERK1/2およびERK5サブグループに細分化される）とp38/Hog1様キナーゼ（多細胞動物ではp38およびJNKサブグループに分割されている）を形成します。^[26]さらに、真菌と動物の両方にいくつかのMAPKがあり、その起源は、高度に分岐しているため（NLKなど）、またはMAPKファミリー全体（ERK3、ERK4、ERK7）の初期の分岐である可能性があるため、あまり明らかではありません。脊椎動物では、頭索動物と脊椎動物の分裂後の双子の全ゲノム重複により、^[27]すべてのグループにいくつかのパラログがあります。したがって、ERK1とERK2は両方ともショウジョウバエのキナーゼrolledに対応し、JNK1、JNK2、およびJNK3はすべてショウジョウバエの遺伝子バスケットと相同です。 p38 グループの中では、p38 アルファとベータは明らかに相同なペアであり、脊椎動物の p38 ガンマとデルタも同様であるが、多くの後生動物がすでに複数の p38 ホモログを持っていることを考えると、塩基分割のタイミングは明確ではない (ショウジョウバエには 3 つの p38 型キナーゼ、Mpk2 ( p38a )、p38b、p38cがある)。単一の ERK5 タンパク質は、存在する場所に関係なく、非常に特殊な役割 (脊椎動物の血管発達に必須) を果たしているように見える。この系統は、その上流経路構成要素 (MEKK2/3、MKK5) とともに前口動物では削除されているが、刺胞動物、海綿動物、さらには多細胞動物の起源に密接に関連する特定の単細胞生物 (例:襟鞭毛虫Monosiga brevicollis ) にも明らかに存在している。^[28]

古典的MAPキナーゼと一部の非定型MAPキナーゼの分裂はかなり早い時期に起こりました。これは現存する遺伝子間の大きな分岐だけでなく、原始的で基底的な真核生物における非定型MAPKの最近の発見によっても示唆されています。ランブル鞭毛虫のゲノム配列決定により、2つのMAPK遺伝子の存在が明らかになり、そのうちの1つはすでによく知られている哺乳類MAPK（ERK、p38など）に類似し、もう1つは哺乳類のERK7タンパク質に類似性を示しました。^{[29]多細胞アメーバである}Dictyostelium discoideumでも状況は似ており、ddERK1タンパク質は古典的MAPKのようですが、ddERK2はERK7およびERK3/4タンパク質によりよく似ています。^[30]非定型MAPKは高等植物にも見られますが、あまり知られていません。哺乳類の場合と同様に、この領域に関する研究が不足しているため、非定型 MAPK のほとんどの側面は特徴付けられていません。

CMGCキナーゼグループに典型的であるように、MAPキナーゼの触媒部位は基質に対して非常に緩いコンセンサス配列を持っている。他の同類キナーゼと同様に、標的のセリン/スレオニンアミノ酸の後に小さなアミノ酸、好ましくはプロリンが続くことだけが必要である（「プロリン指向性キナーゼ」）。しかし、SP/TP部位はすべてのタンパク質で非常に一般的であるため、シグナル伝達の忠実性を確保するために追加の基質認識メカニズムが進化してきた。^[31]最も近い同類キナーゼであるサイクリン依存性キナーゼ（CDK）とは異なり、基質はサイクリンサブユニットによって認識されるが、MAPKはキナーゼドメイン上の補助結合領域を介して基質と結合する。最も重要なそのような領域は、疎水性ドッキング溝と負に帯電したCD領域で構成される。これらは一緒に、いわゆるMAPKドッキングまたはDモチーフ（キナーゼ相互作用モチーフ/ KIMとも呼ばれる）を認識します。 Dモチーフは、基本的に1つまたは2つの正に帯電したアミノ酸と、それに続く交互に続く疎水性残基（主にロイシン）で構成され、通常はリン酸化部位の10～50アミノ酸上流にあります。^[32]既知のMAPK基質の多くには、特定のMAPKに結合するだけでなく、特定の認識を提供するDモチーフが含まれています。Dモチーフは基質に限定されません。MAP2キナーゼも、MAP2K-MAPK相互作用とMAPK活性化に絶対に必要なモチーフをN末端に含んでいます。 ^[33]同様に、二重特異性MAPキナーゼホスファターゼとMAP特異的チロシンホスファターゼはどちらも、同じドッキング部位を介してMAPキナーゼに結合します。^{[34] [35]} Dモチーフは、特定のMAPK経路調節因子やスキャフォールド（哺乳類のJIPタンパク質など）にも見られます。

他にも、あまりよく特徴づけられていない基質結合部位が存在する。そのような部位の 1 つ (DEF 部位) は、活性化ループ (活性コンフォメーションの場合) とその下の MAP キナーゼ特異的挿入によって形成される。この部位は、通常リン酸化部位の下流にある FxFP コンセンサス配列を持つペプチドを収容できる。^[36]後者の部位は、活性 MAP キナーゼを選択的に認識する必要があるタンパク質にのみ見られるため、基質にのみほぼ独占的に見られる点に注意する必要がある。異なるモチーフは、D モチーフと FxFP モチーフの両方を持つ転写因子の Elk ファミリーのように、互いに協力することがある。KSR1 スキャフォールド タンパク質に FxFP モチーフが存在すると、ERK1/2 基質となり、ERK1/2 活性化の正しい強度を設定するための負のフィードバック メカニズムが提供される。

酵母で Ste5 が発見されて以来、科学者たちは哺乳類で同様の非酵素的足場経路要素を見つけようと模索してきました。実際、ERK シグナル伝達に関与し、経路の複数の要素に結合できるタンパク質が数多く存在します。MP1 はMKK1/2 と ERK1/2 の両方に結合し、KSR1とKSR2 はB-Raf または c-Raf、MKK1/2、および ERK1/2 に結合できます。類似のタンパク質は JNK 経路でも発見されており、JIP1 / JIP2 およびJIP3 /JIP4 ファミリーのタンパク質はすべて、MLK、MKK7、および任意の JNK キナーゼに結合することが示されています。残念ながら、酵母 Ste5 とは異なり、これらが MAPK 活性化を制御するメカニズムはほとんど解明されていません。Ste5 は実際には Ste7 および Fus3 と三元複合体を形成して後者のリン酸化を促進しますが、既知の哺乳類の足場タンパク質は非常に異なるメカニズムで機能するようです。例えば、KSR1 と KSR2 は実際には MAP3 キナーゼであり、Raf タンパク質に関連しています。^[37] KSR 単独では MAP3 キナーゼ活性がほとんどありませんが、KSR タンパク質は Raf キナーゼとヘテロ二量体を形成して Raf キナーゼの活性化に関与し、各酵素をオンにするアロステリック ペアを提供します。^[38] 一方、JIP は明らかに輸送タンパク質であり、極性細胞の特定の区画で MAPK シグナル伝達成分の濃縮を担っています。^[39]この文脈では、JIP1 (およびおそらく JIP2) の JNK 依存性リン酸化は、JIP に JIP に結合した不活性な上流経路成分を放出するシグナルを提供し、強力な局所的な正のフィードバック ループを駆動します。^[40]この洗練されたメカニズムは、哺乳類だけでなくショウジョウバエのDrosophila melanogasterでも、キネシン依存性輸送と局所的な JNK 活性化を結び付けます。^[41]

ERKシグナル伝達経路は生理的および病理的な細胞増殖の両方に関与しているため、ERK1/2阻害剤が抗腫瘍剤の望ましいクラスとなるのは当然です。実際、恒常的に活性な（変異した）受容体チロシンキナーゼ、RasまたはRafタンパク質など、多くの原発性発癌性の「ドライバー」変異はERK1/2シグナル伝達に関連しています。MKK1/2またはERK1/2阻害剤は臨床使用のために開発されていませんが、Rafキナーゼも阻害するキナーゼ阻害剤（例：ソラフェニブ）は、さまざまな種類の癌に対する効果的な抗腫瘍剤です。^{[42] [43]} MEK阻害剤コビメチニブは、 PI3K経路の阻害と組み合わせて前臨床肺癌モデルで研究されており、2つの薬剤は相乗的な反応を引き起こします。^{[44] [45]}

JNKキナーゼは、肥満者のインスリン抵抗性^[46]の発症や虚血状態後の神経伝達物質興奮毒性に関与している。JNK1の阻害は、特定の動物モデルにおいてインスリン抵抗性を改善する。脳内の主要アイソフォームである機能的JNK3遺伝子を欠損するように遺伝子操作されたマウスは、虚血耐性と脳卒中回復の増強を示す。^[47]小分子JNK阻害剤は開発中であるが、いずれもヒト試験で有効であることが証明されていない。ペプチドベースのJNK阻害剤（AM-111、JIP1由来の逆逆Dモチーフペプチド、旧称XG-102）も、感音難聴の治療薬として臨床開発中である。^[48]

p38はかつて抗炎症薬の完璧な標的であると考えられていた。しかし、化学的に異なる12種類以上の化合物が臨床段階で失敗したことから、p38キナーゼは自己免疫疾患の治療標的としては不十分である可能性が示唆されている。これらの化合物の多くは、さまざまな程度で肝毒性があり、数週間以内に抗炎症効果に対する耐性が発現することが判明した。 ^[49]代替アプローチは、ASK1などの上流MAPKを標的とする可能性を評価することである。^{[50]炎症性関節炎の動物モデルでの研究では有望な結果が得られており、ASK1は最近、} TNF-αなどの炎症性サイトカインによって誘導される点でMAPKの中でユニークであることが判明した。^[50]

• MAP キナーゼ リソース。
• ミトゲン活性化キナーゼの名前の表。
• MAPKカスケード図
• 米国国立医学図書館の医学主題標目(MeSH)におけるミトゲン活性化タンパク質キナーゼ
• BioModels データベースの MAPK 超感受性のモデル
• ショウジョウバエが転がる – インタラクティブフライ