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| cAMP依存性タンパク質キナーゼ（タンパク質キナーゼA） | |||||||||
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 cAMP依存性タンパク質キナーゼヘテロ12量体、イノシシ | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| EC番号 | 2.7.11.11 | ||||||||
| CAS番号 | 142008-29-5 | ||||||||
| 別名 | STK22、PKA、PKA C | ||||||||
| データベース | |||||||||
| インテンズ | IntEnzビュー | ||||||||
| ブレンダ | BRENDAエントリー | ||||||||
| エクスパス | NiceZyme ビュー | ||||||||
| ケッグ | KEGGエントリー | ||||||||
| メタサイク | 代謝経路 | ||||||||
| プリアモス | プロフィール | ||||||||
| PDB構造 | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
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細胞生物学において、タンパク質キナーゼA（PKA ）はセリン-スレオニンキナーゼ[1]のファミリーであり、その活性は細胞内のサイクリックAMP （cAMP）レベルに依存しています。PKAはcAMP依存性タンパク質キナーゼ（EC 2.7.11.11）としても知られています。PKAは細胞内でグリコーゲン、糖、脂質 代謝の調節など、いくつかの機能を果たします。5' - AMP活性化タンパク質キナーゼ（AMP活性化タンパク質キナーゼ）と混同しないでください。
歴史
タンパク質キナーゼAは、より正確にはアデノシン3',5'-一リン酸（環状AMP）依存性タンパク質キナーゼとして知られ、PKAと略されますが、1968年に化学者のエドモンド・H・フィッシャーとエドウィン・G・クレブスによって発見されました。彼らは、リン酸化と脱リン酸化、およびそれがPKA活性にどのように関係するかに関する研究により、1992年にノーベル生理学・医学賞を受賞しました。 [2]
PKAは、その独自性から、最も広く研究されているタンパク質キナーゼの1つです。ヒトキノームを構成する540種類のタンパク質キナーゼ遺伝子のうち、生理学的四量体複合体（4つのサブユニットからなる）で存在することが知られているタンパク質キナーゼは、カゼインキナーゼ2のみです。[1]
哺乳類のPKAサブユニットの多様性は、スタン・マックナイト博士らが4つの触媒サブユニット遺伝子と4つの調節サブユニット遺伝子を特定した後に認識されました。1991年にスーザン・テイラーらはPKA Cαサブユニットを結晶化し、初めてタンパク質キナーゼコアの二葉構造を明らかにし、ゲノム（キノーム）内の他のすべてのタンパク質キナーゼの青写真を提供しました。[3]
構造
不活性状態のPKAアポ酵素は、2つの調節サブユニットと2つの触媒サブユニットからなる四量体として存在する。触媒サブユニットには、活性部位、ATPに結合して加水分解するタンパク質キナーゼに見られる一連の標準残基、および調節サブユニットに結合するドメインが含まれる。調節サブユニットには、環状AMPに結合するドメイン、触媒サブユニットと相互作用するドメイン、および自己阻害ドメインがある。調節サブユニットには、RIとRIIの2つの主要な形式がある。[4]
哺乳類細胞には少なくとも2種類のPKAが存在する。I型は主に細胞質に存在し、II型は調節サブユニットと、アンカーセクションで説明した特殊なアンカータンパク質を介して、細胞膜、核膜、ミトコンドリア外膜、微小管に結合する。どちらのタイプでも、触媒サブユニットが解放されて活性化されると、核内に移動できる（そこで転写調節タンパク質をリン酸化できる）が、調節サブユニットは細胞質内に留まる。[5]
以下のヒト遺伝子は PKA サブユニットをコードします。
機構
アクティベーション
PKA は cAMP 依存性タンパク質キナーゼとしても知られています。これは、従来、さまざまなシグナルに反応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て活性化されると考えられてきたためです。しかし、AKAP 結合シグナル伝達調節複合体を含む完全なホロ酵素複合体を評価する最近の研究では、PKA の触媒活性の局所的な細胞内活性化は、特に cAMP の生理的濃度では、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、実験的に誘導された生理的濃度を超える cAMP は、細胞内で通常観察される濃度よりも高い濃度であり、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、まず標的細胞上のG タンパク質共役受容体(GPCR)に結合してタンパク質キナーゼ A の活性化を引き起こす細胞内シグナル伝達カスケードを開始します。GPCR が細胞外リガンドによって活性化されると、受容体の構造変化が誘導され、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。刺激を受けた G タンパク質複合体のGs α 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 Gs α 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、次にこの酵素がATPからcAMP への変換を触媒して、cAMP レベルを直接的に上昇させます。4 つの cAMP 分子が 2 つの調節サブユニットに結合できます。これは、2つのcAMP分子がそれぞれ2つのcAMP結合部位（CNB-BとCNB-A）に結合することで行われ、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を放出します。[8]
阻害性調節サブユニットから遊離した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ますが、 [9] PKAの熱安定性擬似基質阻害剤であるPKIによる調節を含む他の制御層の影響を受けます。[7] [10]
以下は、PKA の活性化に必要な手順のリストです。
- 細胞質cAMPの増加
- 2つのcAMP分子が各PKA調節サブユニットに結合する
- 調節サブユニットは触媒サブユニットの活性部位から移動し、R2C2複合体は解離する。
- 遊離触媒サブユニットはタンパク質と相互作用して、Ser または Thr 残基をリン酸化します。
触媒
遊離した触媒サブユニットは、ATP末端リン酸をタンパク質 基質のセリンまたはスレオニン 残基に転移する触媒作用をします。このリン酸化は通常、基質の活性の変化をもたらします。PKAはさまざまな細胞に存在し、さまざまな基質に作用するため、PKA調節とcAMP調節はさまざまな経路に関与しています。
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ます。
- 直接的なタンパク質リン酸化では、PKA はタンパク質の活性を直接増加または減少させます。
- タンパク質合成では、PKA はまずCREB を直接活性化し、これがcAMP 応答エレメント(CRE)に結合して転写を変化させ、タンパク質の合成を変化させます。一般に、このメカニズムにはより長い時間がかかります (数時間から数日)。
リン酸化のメカニズム
基質ペプチドのセリン/スレオニン残基は、ヒドロキシル基が結合した ATP 分子のガンマリン酸基に面するように配向されています。基質、ATP、および 2 つの Mg2+ イオンは、PKA の触媒サブユニットと強力な接触を形成します。活性構造では、C ヘリックスが N 末端ローブに対してパッキングされ、保存された DFG モチーフのアスパラギン酸残基が Mg2+ イオンをキレート化して、ATP 基質の配置を補助します。ATP の三リン酸基は、ガンマリン酸をペプチド基質のセリン/スレオニンに転送するために、アデノシン ポケットの外側を指しています。グルタミン酸 (E) 91 およびリジン (K) 72 など、α リン酸基とβ リン酸基の配置を仲介する保存残基がいくつかあります。ペプチド基質のセリン/スレオニンのヒドロキシル基は、SN2 求核反応を介してリンのガンマリン酸基を攻撃し、その結果、末端リン酸がペプチド基質に移動し、ベータリン酸基とガンマリン酸基の間のホスホジエステル結合が切断されます。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 活性タンパク質キナーゼと不活性擬似キナーゼのメンバーを区別するのに役立ちます。
不活性化
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cAMP加水分解ホスホジエステラーゼ（PDE）酵素の数を使用します。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の量を減らします。PKAは複雑な一連のリン酸化イベントによっても制御され、これには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が含まれます。[7]
したがって、PKA は、部分的にはcAMPのレベルによって制御されます。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可能性があります。
アンカレッジ
PKA の調節サブユニット二量体は、細胞内でキナーゼを局在化するために重要です。二量体の二量体化およびドッキング (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) ドメインに結合します。AKAP は、PKA を細胞内のさまざまな場所 (例えば、細胞膜、ミトコンドリアなど) に局在化します。
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。たとえば、心筋細胞の核付近にある AKAP は PKA とホスホジエステラーゼ (cAMP を加水分解する) の両方に結合し、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 の生産性を制限できます。
関数
PKAはアルギニン-アルギニン-X-セリンモチーフが露出したタンパク質をリン酸化して、タンパク質を（不）活性化します。PKAの基質は数多く存在し、そのような基質のリストはNIHによって公開され、管理されています。[11]
タンパク質の発現は細胞の種類によって異なるため、リン酸化に利用できるタンパク質は PKA が存在する細胞によって異なります。したがって、PKA 活性化の効果は細胞の種類によって異なります。
概要表
脂肪細胞と肝細胞では
エピネフリンとグルカゴンは、アデニル酸シクラーゼを使用して、Gタンパク質機構を介して細胞内のcAMPレベルを変更することで、タンパク質キナーゼAの活性に影響します。タンパク質キナーゼAは、代謝に重要な多くの酵素をリン酸化するように作用します。たとえば、タンパク質キナーゼ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阻害効果をもたらし、脂肪生成を抑制し、純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。
側坐核ニューロン
PKAはドーパミンシグナルを側坐核の細胞に伝達/翻訳するのを助け、報酬、動機付け、課題の重要性を媒介します。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、食物などがあります。タンパク質キナーゼAシグナル伝達経路はエタノール消費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消費が少なくなり、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]
骨格筋では
PKAはAKAPに結合した後、特定の細胞内部位に誘導されます。リアノジン受容体（RyR）は筋肉のAKAPと共局在し、AKAPによるPKAのRyRへの局在により、RyRのリン酸化とCa 2+の流出が増加します。[19]
心筋では
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によって媒介されるカスケードでは、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ます。これにより変力と弛緩力が高まり、収縮力が増すとともに、筋肉がより速く弛緩できるようになります。[20] [21]
記憶形成において
PKA は記憶の形成に重要であると常に考えられてきました。ショウジョウバエでは、 DCO (PKA 触媒サブユニットコード化遺伝子) の発現活性の低下が重度の学習障害、中期記憶、短期記憶を引き起こす可能性があります。長期記憶は CREB 転写因子に依存しており、PKA によって制御されます。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ます。ただし、PKA 活性の 24% の低下は学習能力を阻害し、16% の低下は学習能力と記憶保持の両方に影響を与えました。正常な記憶の形成は PKA レベルに非常に敏感です。[22]
参照
参考文献
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外部リンク
- 米国国立医学図書館医学件名表(MeSH)の環状 AMP 依存性タンパク質キナーゼ
- ショウジョウバエ cAMP 依存性タンパク質キナーゼ 1 - The Interactive Fly
- cAMP 依存性タンパク質キナーゼ: 今月の PDB 分子
- PDBe-KBのUniProt : P25321 (cAMP 依存性タンパク質キナーゼ触媒サブユニット アルファ)についてPDBで入手可能なすべての構造情報の概要。
