p14arf

p14ARF（ARF腫瘍抑制因子、ARF、p14 ^ARFとも呼ばれる）は、 CDKN2A遺伝子座（INK4a / ARF遺伝子座）の代替読み枠タンパク質産物です。^{[1] p14ARFは、} MYCおよびRas （タンパク質）からの異常な増殖シグナル伝達などの有糸分裂刺激の上昇に反応して誘導されます。^{[2]これは主に}核小体に蓄積し、そこでNPMまたはMdm2と安定した複合体を形成します。これらの相互作用により、p14ARFは、それぞれリボソーム生合成を阻害するか、 p53依存性細胞周期停止とアポトーシスを開始することにより、腫瘍抑制因子として機能します。 ^[3] p14ARFは転写、アミノ酸組成、分解の点で非典型的なタンパク質である。異なるタンパク質の代替読み枠で転写され、塩基性が高く、 ^[1] N末端でポリユビキチン化されている。^[4]

p16INK4aと p14ARF はどちらも細胞周期の調節に関与しています。p14ARF はmdm2 を阻害し、p53 を促進します。p53はp21 の活性化を促進し、次に特定のサイクリン- CDK複合体に結合して不活性化します。この複合体は、細胞周期のG ₁ /S チェックポイントを通過する遺伝子の転写を促進します。CDKN2A ( INK4A ) 遺伝子のホモ接合変異によって p14ARF が失われると、 mdm2のレベルが上昇し、その結果、p53機能と細胞周期制御が失われます。

マウスにおける同等物は p19ARF です。

p14ARF転写産物は1995年にヒトで初めて同定され、^{[5] [6]}同年にそのタンパク質産物がマウスで確認された。 ^{[7]その遺伝子座はヒトでは}9番染色体の短腕にあり、マウスでは4番染色体の対応する位置にある。^[1] それはタンデムリピートINK4aおよびINK4bの遺伝子の近くにあり、それぞれ16 kDa (p16 ^INK4a ) および15 kDa (p15 ^INK4b ) のタンパク質である。これらのINK4タンパク質はサイクリンD依存性キナーゼCDK4およびCDK6を直接阻害する。他の染色体にも他のINK4遺伝子があるが、これらは癌とは関連がなく、そのため機能が重複する可能性は低い。重要なサイクリン依存性基質は網膜芽細胞腫タンパク質Rbであり、これはギャップ1期後期 ( G1期)にリン酸化され、G1期からの脱出を可能にする。 Rbタンパク質は、DNA複製に必要な遺伝子の転写を活性化するE2F転写因子の活性を阻害することで細胞増殖を制限します。細胞周期のG1期にRbがサイクリンDおよびE依存性キナーゼによってリン酸化されると、RbはE2F依存性転写を阻害できず、細胞はDNA合成期（S期）に進むことができます。^{[8]したがって、INK4aとINK4bは、Rb}リン酸化を担うCDKを阻害することで増殖を制限することで腫瘍抑制因子として機能します。^[7]

INK4aタンパク質に加えて、無関係なタンパク質ARFがINK4a/ARF遺伝子座の代替読み枠から転写されます。 ^[1] INK4aとp14ARFのmRNAはそれぞれ3つのエクソンで構成されています。エクソン2と3は共有していますが、エクソン1の転写産物はαとβの2つあります。エクソン1β（E1β）は、INK4aとINK4bの遺伝子の間に挿入されています。^[1]エクソン1α（E1α）とE1βは内容とサイズの点でほぼ同じですが、エクソン1βの5' AUG（開始コドン）には独自のプロモーターがあり、エクソン2に代替読み枠を開くため、p14ARF（ARFエクソン3は翻訳されない）という名前が付けられています。このため、INK4aとp14ARFは、重複するコード領域にもかかわらず無関係なアミノ酸配列を持ち、異なる機能を持ちます。このコード配列の二重使用は哺乳類では一般的に見られないため、p14ARFは珍しいタンパク質となっている。^[1] ARF β転写産物が発見されたとき、おそらくタンパク質をコードしないと考えられていた。^{[5] [6]}ヒトでは、ARFは14kDa、132アミノ酸の[[p14 ^ARF ]]タンパク質に翻訳され、マウスでは19kDa、169アミノ酸のp19 ^Arfに翻訳される。^[1]マウスとヒトのARFのE1βタンパク質セグメントは45％同一で、ARF全体の同一性は50％である。これに対し、マウスとヒトのINK4a E1αセグメントの同一性は72％で、全体の同一性は65％である。^[7]

INK4a と ARF タンパク質は構造的にも機能的にも異なりますが、どちらも細胞周期の進行に関与しています。これらの広範な阻害役割は、一緒になって発癌シグナルに対抗するのに役立つ可能性があります。前述のように、INK4a は Rb がE2F転写因子と関連したまま間接的に維持できるようにすることで増殖を阻害します。ARF はMdm2 (ヒトでは HDM2)を阻害することでp53の活性化に関与しています。 ^[8] Mdm2 は p53 に結合し、その転写活性を阻害します。Mdm2 は p53 に対して E3ユビキチンリガーゼ活性も持ち、分解のために細胞核から細胞質へのp53 の輸出を促進します。Mdm2 に拮抗することで、ARF は p53 の転写活性を許可し、細胞周期の停止またはアポトーシスにつながります。したがって、ARF または p53 の喪失は、細胞に生存上の利点をもたらします。^[1]

ARF の機能は主に Mdm2/p53 機構によるものと考えられてきました。しかし、ARF は p53 を欠損している細胞や p53 と Mdm2 の両方を欠損している細胞の増殖も阻害します。^[9] 2004 年に、ARF の p53 非依存性機能の 1 つに、ヌクレオフォスミン/B23 (NPM) への結合が含まれることが分かりました。^[9] NPM は酸性リボソーム シャペロン (タンパク質)で、p53 とは独立してプレリボソーム処理と核輸出に関与し、それ自体および p14 ^{ARFとオリゴマーを形成します。p14 ARF}のほぼ半分は、高分子質量 (2～5 MDa) の NPM 含有複合体中に存在します。ARF の強制発現は、初期の 47S/45S rRNA前駆体処理を遅らせ、32S rRNA 切断を阻害します。これは、p14 ^{ARF が}NPM に結合して rRNA 処理を阻害できることを示唆しています。 ^[9] ARF ヌル細胞は核小体面積の増大、リボソーム生合成の増加、およびそれに応じたタンパク質合成の増加がみられる。^[10]しかし、リボソームとタンパク質の増加によるサイズの増大は増殖の増加とは関連がなく、この ARF ヌル表現型は、Arf の正常な基底レベルが通常低い場合でも発生する。エクソン1βに対するsiRNAで ARF をノックダウンすると、rRNA 転写、rRNA プロセシング、およびリボソーム核輸出が増加する。NPM が ARF に結合していない場合に見られる無制限のリボソーム生合成は、NPM も存在しない場合は発生しない。発癌シグナルに応答した ARF の誘導が最も重要であると考えられているが、間期細胞で見られる低レベルの ARF も、細胞増殖を抑制するという点でかなりの効果を有する。したがって、NPM/ARF 複合体における基底レベルの ARF の機能は、増殖の防止とは独立して、定常状態のリボソーム生合成および増殖を監視することであると考えられる。^[10]

非常に一般的に、癌はINK4a、ARF、Rb、またはp53の機能喪失と関連しています。^[11] INK4aがなければ、Cdk4/6はRbを不適切にリン酸化して、 E2F依存性転写の増加につながります。ARFがなければ、Mdm2はp53を不適切に阻害して、細胞生存の増加につながります。

INK4a/ARF遺伝子座は、多くの種類の腫瘍で欠失またはサイレンシングされていることがわかっています。たとえば、100の原発性乳がんのうち、約41％にp14 ^ARF欠陥があります。^[12]別の研究では、大腸腺腫（非癌性腫瘍）の32％で、プロモーターの過剰メチル化によりp14 ^ARF不活性化が見られました。p19 ^Arf、p53、およびMdm2を欠くマウスモデルは、Mdm2とp53のみを欠くマウスよりも腫瘍が発生しやすい傾向があります。これは、p19 ^ArfがMdm2およびp53に依存しない効果も持っていることを示唆しています。^[13]この考えを調査することで、最近のsmARFの発見につながりました。^[14]

CDK2NA（ARF）のホモ接合欠失やその他の変異は、神経膠芽腫と関連していることが判明している。^[15]

最近まで、ARF の 2 つの既知の効果は、NPM 相互作用による成長阻害と Mdm2 相互作用によるアポトーシス誘導でした。p53非依存性細胞死を伴う ARF の機能は、現在ではARF の小型ミトコンドリアアイソフォームである smARF に起因すると考えられています。 ^[14]全長 ARF は細胞周期停止またはタイプ Iアポトーシス死によって細胞の成長を阻害しますが、smARF はタイプ II オートファジー死によって細胞を殺します。ARF と同様に、異常な増殖シグナルがあると smARF の発現が増加します。smARF が過剰発現すると、ミトコンドリアマトリックスに局在し、ミトコンドリアの膜電位と構造を損傷し、オートファジー細胞死を引き起こします。^[16]

短縮型 ARF である smARF の翻訳は、ヒトおよびマウスの細胞における ARF 転写産物の内部メチオニン(M45) から開始される。ラットの転写産物には内部メチオニンが存在しないにもかかわらず、ラットでも smARF が検出される。これは、smARF を形成する別のメカニズムがあることを示唆しており、このアイソフォームの重要性を強調している。^[14] smARF の役割は ARF の役割とは異なり、核局在シグナル(NLS) を欠いており、 Mdm2または NPMに結合できない。 ^[3]ただし、一部の細胞型では、全長 ARF もミトコンドリアに局在してタイプ II 細胞死を誘導できるため、オートファジーが飢餓やその他の環境応答であることに加えて、がん遺伝子の活性化への応答にも関与している可能性があることが示唆されている。^[2]

ARF の発現は、発癌シグナル伝達によって制御される。MYCやRas (タンパク質)などの異常な有糸分裂刺激は、変異したp53やMdm2の増幅、または p53 の喪失と同様に、その発現を増加させる。^{[8] ARF は、強制的な}E2F発現によっても誘導される。E2F 発現は細胞周期中に増加するが、一時的な E2F 増加に対する ARF 応答を防ぐために、2 番目の未知の転写因子の活性化が必要になる可能性があるため、ARF 発現は増加しないと考えられる。^[11] ARF は、Rb-E2F 複合体^[11]および増幅された p53 活性化によって負に制御される。^[8]異常な成長シグナルも smARF 発現を増加させる。^[16]

ARF は、塩基性が高く (pI>12)、疎水性のタンパク質です。^[8]その塩基性はアルギニン含有量に起因します。アミノ酸の 20% 以上がアルギニンであり、リジンはほとんどまたはまったく含まれていません。これらの特性により、ARF は他のターゲットに結合しない限り、構造化されていない可能性があります。報告によると、ARF は 25 を超えるタンパク質と複合体を形成しますが、これらの相互作用のそれぞれの重要性はわかっていません。^[1]これらの相互作用の 1 つは、SUMO 化活性をもたらし、ARF が結合したタンパク質を修飾する可能性があることを示唆しています。SUMOタンパク質は、ユビキチンに似た小さな修飾子で、リジン ε-アミノ基に付加されます。このプロセスには、ユビキチン化が起こる方法に似た3 つの酵素カスケードが関与しています。E1 は活性化酵素、E2 は結合酵素、E3 はリガーゼです。 ARFは、唯一知られているSUMO E2であるUBC9と関連しており、ARFがSUMOの結合を促進することを示唆している。SUMO化はタンパク質輸送、ユビキチン化の干渉、遺伝子発現の変化など、さまざまな機能に関与しているため、この役割の重要性は不明である。^[1]

ARFの半減期は約6時間であるが^[4] 、 smARFの半減期は1時間未満である。^[3]両方のアイソフォームはプロテアソームで分解される。^{[1] [4] ARFは}N末端ユビキチン化によってプロテアソームの標的となる。^[4]タンパク質は通常、リジン残基でユビキチン化される。しかし、ヒト[[p14 ^ARF ]]にはリジンが含まれず、マウスp19 ^Arfにはリジンが1つだけ含まれる。マウスのリジンをアルギニンに置き換えても分解には影響がなく、N末端でもユビキチン化されていることが示唆される。ほとんどの真核生物タンパク質はN末端でアセチル化されており、この位置でのユビキチン化が妨げられるため、これがARFタンパク質の独自性を高めている。最後から2番目の残基はアセチル化の効率に影響を及ぼし、アセチル化は酸性残基によって促進され、塩基性残基によって阻害される。p19 ^Arf (Met-Gly-Arg) と p14 ^ARF (Met-Val-Arg) の N 末端アミノ酸配列はメチオニンアミノペプチダーゼによって処理されるがアセチル化されず、ユビキチン化が進行する。しかし、smARF の配列から、開始メチオニンはメチオニンアミノペプチダーゼによって切断されず、おそらくアセチル化され、ユビキチン化されずにプロテアソームによって分解されることが予測される。^[1]

全長核小体ARFはNPMによって安定化されると思われる。NPM-ARF複合体はARFのN末端をブロックしないが、ARFが分解機構にアクセスされるのを防ぐと考えられる。^[4]ミトコンドリアマトリックスタンパク質p32はsmARFを安定化する。^{[16]このタンパク質はさまざまな細胞タンパク質やウイルスタンパク質に結合するが、その正確な機能は不明である。p32をノックダウンすると、smARFのターンオーバーが増加し、レベルが劇的に低下する。p19 Arf}のレベルはp32ノックダウンの影響を受けないため、p32はおそらくプロテアソームまたはミトコンドリア プロテアーゼからsmARFを保護することで、smARFを特異的に安定化する。^[16]

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