タンパク質リン酸化

タンパク質リン酸化は、タンパク質の可逆的な翻訳後修飾であり、タンパク質キナーゼによってアミノ酸残基が共有結合したリン酸基の付加によってリン酸化される。リン酸化はタンパク質の構造的立体配座を変化させ、タンパク質を活性化、不活性化、またはその他の方法でその機能を変化させる。^[1]約 13,000 種のヒトタンパク質にはリン酸化される部位がある。^[2]

リン酸化の逆反応は脱リン酸化と呼ばれ、タンパク質ホスファターゼによって触媒されます。タンパク質キナーゼとホスファターゼは独立して、またバランスを保ちながら働き、タンパク質の機能を調節します。^[3]

最も一般的にリン酸化されるアミノ酸は、セリン、スレオニン、チロシン、 ヒスチジンである。^{[4] [5]}これらのリン酸化は、シグナル伝達経路と代謝において重要かつ十分に特徴付けられた役割を果たしている。しかし、アルギニン、リジン、アスパラギン酸、グルタミン酸、システインなど、他のアミノ酸も翻訳後にリン酸化される可能性があり、これらのリン酸化アミノ酸は、抗体ベースの分析（pHis用）と質量分析（他のすべてのアミノ酸用）の組み合わせを使用して、ヒト細胞抽出物および固定ヒト細胞中に存在することが確認されている。^{[5] [6] [7] [8]}

タンパク質のリン酸化は、1906年にロックフェラー医学研究所のフィーバス・レヴィーンがリン酸化ビテリンを発見した際に初めて報告されました。^[9]しかし、タンパク質キナーゼによるタンパク質の酵素的リン酸化が発見されるまでには、ほぼ50年かかりました。^[10]

1906年、ロックフェラー医学研究所のフィーバス・レヴィーンは、タンパク質ビテリン（ホスビチン）中のリン酸を特定し^[9] 、1933年までにはフリッツ・リップマンと共にカゼイン中のホスホセリンを検出した。 ^[11]しかし、ユージン・P・ケネディが最初の「タンパク質の酵素的リン酸化」を説明するまでには、さらに20年を要した。^[10]最初のホスホリラーゼ酵素は、1930年代後半にカール・コリとゲルティ・コリによって発見された。カール・コリとゲルティ・コリは、グリコーゲンホスホリラーゼの2つの形態を発見し、AとBと名付けたが、B形態からA形態への変換のメカニズムを正しく理解していなかった。ホスホリラーゼbからホスホリラーゼaへの相互変換は、後にエドモンド・フィッシャーとエドウィン・クレブス、さらにはウォシライトとサザーランドによって、リン酸化/脱リン酸化メカニズムを伴うものとして説明された。^{[12]ホスホリラーゼキナーゼとMg-ATPという酵素が、} ATPのγ-ホスホリル基をホスホリラーゼbのセリン残基に転移させることでグリコーゲンホスホリラーゼをリン酸化するのに必要であることが判明した。タンパク質ホスファターゼ1は、リン酸基を除去することでリン酸化酵素の脱リン酸化を触媒することができる。アール・サザーランドは1950年に、肝臓切片をアドレナリンとグルカゴンとともにインキュベートするとホスホリラーゼの活性が高まり、グリコーゲン分解が刺激されると説明した。1970年代にレスター・リードがミトコンドリアピルビン酸脱水素酵素複合体がリン酸化によって不活性化されることを発見するまで、リン酸化は1つの代謝経路の特定の制御メカニズムであると考えられていた。また、1970年代には、2つ以上のキナーゼによって2つ以上の残基がリン酸化されるタンパク質の発見を受けて、マルチサイトリン酸化という用語が造られました。1975年には、cAMP依存性タンパク質キナーゼが特定のアミノ酸配列モチーフのセリン残基をリン酸化することが示されました。レイ・エリクソンはv-Srcがキナーゼであることを発見し、トニー・ハンターは1970年代にv-Srcがタンパク質のチロシン残基をリン酸化することを発見しました。^[13] 1980年代初頭には、最初のタンパク質キナーゼのアミノ酸配列が決定され、遺伝学者が調節遺伝子の機能を理解するのに役立ちました。 1980年代後半から1990年代初頭にかけて、最初のタンパク質チロシンホスファターゼ（PTP1B）が精製され、 JAKキナーゼの発見とクローニングが達成されたため、科学界では1990年代をタンパク質キナーゼカスケードの10年と呼ぶ人が多くいました。^[14][15]エドモンド・フィッシャーとエドウィン・クレブスは、1992年に「生物学的調節機構としての可逆的なタンパク質リン酸化に関する発見」によりノーベル賞を受賞した。^[16]

タンパク質の可逆的なリン酸化は、原核生物で豊富であり、真核生物ではさらに豊富です。^{[17] [18] [19] [20]}たとえば、細菌では全タンパク質の5〜10％がリン酸化されていると考えられています。^{[21] [22]}対照的に、ヒトの全タンパク質の3分の1は常にリン酸化されていると推定されており、ヒト、マウス、酵母にはそれぞれ230,000、156,000、40,000の固有のリン酸化部位が存在します。^[2]酵母では、約120のキナーゼ（合計約6,000のタンパク質のうち）が8,814の既知の調節リン酸化イベントを引き起こし、約3,600のリン酸化タンパク質（酵母タンパク質の約60％）を生成します。^{[23] [24]}したがって、リン酸化はタンパク質の大部分に影響を及ぼす普遍的な調節メカニズムです。タンパク質自体がリン酸化されない場合でも、他のタンパク質との相互作用は、相互作用するタンパク質のリン酸化によって制御される可能性があります。

リン酸化はアミノ酸の側鎖に荷電した親水性基を導入し、近くのアミノ酸との相互作用を変化させることでタンパク質の構造を変化させる可能性があります。p53などの一部のタンパク質には複数のリン酸化部位が含まれており、複雑で多段階の調節を容易にします。タンパク質はリン酸化と脱リン酸化が容易であるため、このタイプの修飾は細胞が外部信号や環境条件に反応するための柔軟なメカニズムです。^[25]

キナーゼはタンパク質をリン酸化、ホスファターゼはタンパク質を脱リン酸化します。多くの酵素と受容体は、リン酸化と脱リン酸化によって「オン」または「オフ」に切り替わります。可逆的なリン酸化により、多くの酵素と受容体の構造に立体配座の変化が生じ、活性化または不活性化が起こります。リン酸化は通常、真核生物タンパク質のセリン、トレオニン、チロシン、ヒスチジン残基で起こります。真核生物タンパク質のヒスチジンリン酸化は、チロシンリン酸化よりもはるかに頻繁に起こるようです。^[26]原核生物タンパク質では、リン酸化はセリン、トレオニン、チロシン、ヒスチジン、アルギニン、リジン残基で起こります。^{[17] [18] [26] [27]}アミノ酸残基の非極性R基にリン酸（PO ₄ ^{3- ）分子を付加すると、タンパク質の疎水性部分が分子の極性で極めて親水性の高い部分に変換される。このようにして、}タンパク質のダイナミクスは、タンパク質中の他の疎水性および親水性残基との 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引き起こすことができる。

リン酸化が果たす調節的役割の一例は、p53腫瘍抑制タンパク質です。p53タンパク質は厳密に制御されており^[28]、18を超える異なるリン酸化部位が含まれています。p53の活性化は細胞周期の停止につながる可能性があり、これは状況によっては元に戻る可能性があります。また、アポトーシスによる細胞死も引き起こします^[29]。この活性は、細胞が損傷を受けた場合、または正常な健康な個人の生理機能が乱れた場合にのみ発生します。

不活性化信号が送られると、タンパク質は再び脱リン酸化され、機能を停止します。^{[30] [要出典]これは、多くの形態の}シグナル伝達におけるメカニズムであり、例えば、入ってくる光が網膜の光感受性細胞で処理される方法です。

リン酸化の調節的役割には以下が含まれます。

• エネルギーを必要とする反応の 生物学的熱力学
  • 体内の水分量の恒常性を維持するための浸透圧調節において、細胞膜を介したナトリウム (Na ⁺ ) イオンとカリウム (K ^{+ ) イオンの輸送中に}Na ⁺ /K ⁺ -ATPaseがリン酸化されます。
• 酵素阻害を媒介する
  • インスリンシグナル伝達経路の一部としてのAKT （タンパク質キナーゼB）による酵素GSK-3のリン酸化。 ^[31]
  • C末端Srcキナーゼ（Csk）によるsrc （発音は「サーク」）チロシンキナーゼのリン酸化は酵素の構造変化を誘発し、その結果構造に折り畳みが生じ、キナーゼドメインがマスクされ、遮断される。^[32]

• 体内の水分量の恒常性を維持するために浸透圧調節において細胞膜を介したナトリウム（Na ⁺）イオンとカリウム（K ⁺ ）イオンの輸送中にNa ⁺ /K ^{+ -ATPaseがリン酸化される。 [33]}
• ATP結合カセットトランスポーター

• McsBキナーゼによるアルギニンリン酸化は、 Clpプロテアーゼによる分解のためにタンパク質を標識する。グラム陽性細菌に広く分布するアルギニンリン酸化システムは、真核生物のユビキチン-プロテアソームシステムと機能的に類似していると思われる。^[34]

• リン酸化によるタンパク質調節の最初の例はグリコーゲンホスホリラーゼでした。エディ・フィッシャーとエド・クレブスは、グリコーゲンホスホリラーゼbのリン酸化がどのようにして活性グリコーゲンホスホリラーゼaに変換されるかを説明しました。すぐに、別の代謝酵素であるグリコーゲン合成酵素がリン酸化によって不活性化されることが発見されました。^[35]
• インスリンシグナル伝達経路の一部としてのAKT（タンパク質キナーゼB）による酵素GSK-3のリン酸化。^[31]
• SrcチロシンキナーゼのC末端Srcキナーゼによるリン酸化は、Srcのキナーゼドメインをマスクする構造変化を誘導することによりSrcを不活性化する。^[32]
• DNAの二本鎖切断の周囲200万塩基（クロマチンの0.03％）以内にあるセリン139のH2AXヒストンのリン酸化は、二本鎖切断の修復に必要です。^{[36]アルキル化塩基損傷の}塩基除去修復 には、セリン172のメチルプリンDNAグリコシラーゼのリン酸化が必要です。^[37]

• 貪食細胞中に存在する大きな膜結合型多タンパク質酵素であるNADPHオキシダーゼの細胞質成分のリン酸化は、酵素中のタンパク質間相互作用の調節に重要な役割を果たしている。^[38]
• タンパク質分解に重要。
  • 1990 年代後半、一部のタンパク質のリン酸化により、ATP 依存性ユビキチン/プロテアソーム経路によって分解されることが認識されました。これらの標的タンパク質は、リン酸化されている場合にのみ、特定の E3 ユビキチンリガーゼの基質になります。

複雑なシグナル伝達経路のリン酸化イベントを解明するのは難しい場合があります。細胞シグナル伝達経路では、タンパク質 A がタンパク質 B をリン酸化して、タンパク質 B が C をリン酸化します。しかし、別のシグナル伝達経路では、タンパク質 D が A をリン酸化するか、タンパク質 C をリン酸化します。リン酸化タンパク質の研究(プロテオミクスのサブブランチ) であるホスホプロテオミクスと質量分析ベースのプロテオミクスを組み合わせた包括的アプローチは、リン酸化タンパク質の経時的な動的変化を特定して定量化するために利用されています。これらの技術は、複雑なリン酸化ネットワークの体系的な分析にとってますます重要になっています。^{[39]これらは、}上皮成長因子による刺激後の 6,000 を超えるサイトのリン酸化状態の動的変化を特定するために使用されています。^[40]リン酸化ネットワークを理解するための別のアプローチは、複数のリン酸化タンパク質とそのターゲット間の遺伝的相互作用を測定することです。これにより、興味深い相互作用の繰り返しパターン、つまりネットワーク モチーフが明らかになります。^{[41]リン酸化ネットワークをモデル化し[42] [43]}、さまざまな摂動下での応答を予測するための計算手法が開発されている。 ^[44]

真核生物の DNA は、クロマチンと呼ばれる特定の複合体内でヒストンタンパク質とともに構成されています。クロマチン構造は、真核生物の DNA のパッケージング、構成、および分布の機能を果たします。しかし、特定の酵素やタンパク質のアクセスを制限することで、転写、複製、DNA 修復などのいくつかの基本的な生物学的プロセスに悪影響を及ぼします。ヒストンのリン酸化などのヒストンの翻訳後修飾は、タンパク質:DNA またはタンパク質:タンパク質の相互作用を変更することでクロマチン構造を変更することが示されています。^[45]ヒストンの翻訳後修飾は、クロマチン構造を変更します。最も一般的に関連するヒストンのリン酸化は、DNA 損傷に対する細胞応答中に発生し、リン酸化ヒストン H2A が DNA 切断部位の周囲の大きなクロマチンドメインを分離します。^[46]研究者らは、ヒストンの修飾が RNA ポリメラーゼ II による転写に直接影響するかどうかを調査しました。研究者らは、ヒストンを修飾することが知られているタンパク質を選択して転写への影響をテストし、ストレス誘導キナーゼであるMSK1がRNA合成を阻害することを発見した。MSK1による転写阻害は、テンプレートがクロマチン内にあるときに最も敏感であった。なぜなら、クロマチン内にないDNAテンプレートはMSK1の影響に抵抗性であったからである。MSK1はヒストンH2Aのセリン1をリン酸化すること、そしてセリン1をアラニンに変異させることでMSK1による転写阻害がブロックされることが示された。したがって、結果は、ヒストンのアセチル化がMSK1のようなキナーゼによる阻害性リン酸化を抑制することによって転写を刺激できることを示唆した。^[47]

タンパク質内では、いくつかのアミノ酸でリン酸化が起こる可能性がある。セリンのリン酸化が最も一般的であると考えられており、次にトレオニンが続く。チロシンのリン酸化は比較的まれであるが、ほとんどの真核生物において、多くのタンパク質リン酸化シグナル伝達経路（例えば、チロシンキナーゼ結合受容体）の先頭に位置する。セリン、トレオニン、チロシンなどのアミノ酸のリン酸化は、リン酸化タンパク質のリン酸基がエステル化反応でSer、Thr、またはTyr側鎖の-OH基と反応してリン酸化タンパク質の形成をもたらす。^{[48]しかし、チロシンリン酸化タンパク質は}抗体を 使用して精製するのが比較的容易であるため、チロシンリン酸化部位は比較的よく理解されている。ヒスチジンとアスパラギン酸のリン酸化は、原核生物では2成分シグナル伝達の一部として起こり、真核生物では一部のシグナル伝達経路で起こる場合がある。標準的な生化学的および質量分析的アプローチを用いたリン酸化ヒスチジンの分析は、Ser、Thr、Tyrの分析よりもはるかに困難である。^{[49] [7] [5]}および^[50]原核生物、古細菌、および一部の下等真核生物では、ヒスチジンの窒素は求核剤として働き、リン酸基に結合します。^[51]ヒスチジンがリン酸化されると、応答調節因子の調節ドメインがリン酸からアスパラギン酸への転移を触媒します。

チロシンリン酸化は比較的少量しか見られませんが、抗体を用いたホスホチロシンの精製が容易なため、よく研究されています。受容体チロシンキナーゼは、ホルモン、成長因子、サイトカインなどの細胞外シグナルの伝達に関与する重要な細胞表面受容体ファミリーです。モノマー受容体チロシンキナーゼにリガンドが結合すると、2つのモノマー間の相互作用が安定化して二量体が形成され、その後、結合した2つの受容体がチロシン残基をトランスリン酸化します。受容体のリン酸化と活性化により、酵素活性とアダプタータンパク質との相互作用を介してシグナル伝達経路が活性化されます。^[52]受容体チロシンキナーゼである上皮成長因子受容体（EGFR）を介したシグナル伝達は、皮膚、肺、心臓、脳を含む複数の臓器系の発達に重要です。EGFR経路を介した過剰なシグナル伝達は、多くのヒトの癌で見られます。^[53]

サイクリン依存性キナーゼ（CDK）は、真核生物の細胞周期の進行を制御するセリン-スレオニンキナーゼです。CDKは、制御サイクリンに結合している場合にのみ触媒活性を示します。動物細胞には、さまざまなサイクリンにかなりの特異性で結合する少なくとも9つの異なるCDKが含まれています。CDK阻害剤（CKI）は、サイクリン-CDK複合体のキナーゼ活性を阻害し、G1で、または環境シグナルやDNA損傷に反応して細胞周期を停止します。さまざまなCDKの活性は、G1/S期遷移などの有糸分裂の重要なイベントを制御する細胞シグナル伝達経路と転写因子を活性化します。以前のサイクリン-CDK複合体は、後続のサイクリン-CDK複合体を活性化するためのシグナルを提供します。^[54]

特定の細胞には何千もの異なるリン酸化部位が存在します。その理由は次のとおりです。

1. 特定の細胞には何千ものタンパク質が存在します。
2. 細胞内の何らかの状態において、タンパク質の 1/10 から 1/2 がリン酸化されていると推定されます。
3. ヒトのタンパク質の30～65％と酵母のタンパク質の約50％がリン酸化されている可能性がある。^{[15] [2]}
4. ヒト、マウス、酵母にはそれぞれ23万、15万6000、4万のリン酸化部位が存在すると推定されている。^[2]
5. リン酸化は、多くの場合、特定のタンパク質上の複数の異なる部位で発生します。

特定のタンパク質の任意の部位のリン酸化により、そのタンパク質の機能または局在が変化する可能性があるため、細胞の「状態」を理解するには、そのタンパク質のリン酸化状態を知る必要があります。たとえば、一般的に、タンパク質 AKT のアミノ酸セリン 473 がリン酸化されている場合、AKT はキナーゼとして機能的にアクティブであり、リン酸化されていない場合、AKT は不活性なキナーゼです。

リン酸化部位は、タンパク質とその輸送および機能にとって極めて重要である。これは、可逆的なリン酸化によるタンパク質の共有結合修飾である。負のリン酸化部位は細胞膜の透過性を阻止するため、これによりタンパク質は細胞内にとどまることができる。タンパク質の脱リン酸化により、細胞はピロリン酸を放出してリン酸を補充し、細胞内でのATPの使用を節約できる。^[55]リン酸化酵素の例は、大腸菌に見られる。その膜のペリプラズム領域にアルカリホスファターゼを有する。最外膜はリン酸化分子に対して透過性であるが、内側の細胞質膜は大きな負電荷のために不透過性である。^[56]このように、大腸菌は、タンパク質とピロリン酸を細胞内で必要になるまでペリプラズム膜に貯蔵する。

最近のリン酸化プロテオーム同定の進歩により、タンパク質のリン酸化部位が無数に発見されている。そのため、タンパク質の既知のリン酸化部位を整理した、アクセス可能なデータの統合媒体が必要となった。dbPAFの精選されたデータベースが作成され、これにはH. sapiens、M. musculus、R. norvegicus、D. melanogaster、C. elegans、S. pombe 、およびS. cerevisiaeの既知のリン酸化部位が含まれている。このデータベースには現在、40,432のタンパク質の294,370の非冗長リン酸化部位が保存されている。^{[57]タンパク質のリン酸化予測の他のツールには、真核生物用のNetPhos [58]}、細菌用のNetPhosBac ^[58]、およびウイルス用の ViralPhos ^[59]がある。

セリン残基にはさまざまな種類があり、各残基のリン酸化によってさまざまな代謝結果が生じる可能性があります。

• タンパク質キナーゼN1は、特定の条件下でTNF受容体関連因子（TRAF1）のセリン139のリン酸化を担う。マウスTRAF1も同じキナーゼによってリン酸化され、IKK/NF-κB活性のサイレンシングにつながる。セリン139のリン酸化の除去は、TRAF1をアラニン残基に置き換えることによって達成でき、その結果、TBK1のリクルートメントが改善される。^[60]
• FGFR1は、キナーゼが活性型の場合、セリン789残基でRSK2によってリン酸化される。セリン777部位でのFGFR1のシグナル伝達能力は、リン酸化によって弱まる可能性がある。セリン1047とセリン1048は、リン酸化されるとユビキチンリガーゼc-CblのEFGRへの結合親和性が低下することが分かっている。^[61]
• セリン349がリン酸化されると、タンパク質複合体p62とタンパク質Keap1間の結合親和性が強化され、ストレス応答に関連する。^[62]
• セリン337が試験管内でプロテインキナーゼAによってリン酸化されると、NF-κBのp50サブユニットのDNA結合効率が大幅に増加する。^[63]

セリンおよびスレオニン残基のリン酸化は、セリンおよびスレオニン残基のO -GlcNAc修飾と相互作用することが知られています。

チロシンリン酸化は、迅速で可逆的な反応であり、シグナル伝達における主要な調節機構の 1 つです。細胞の成長、分化、移動、代謝恒常性は、チロシンリン酸化によって維持される細胞プロセスです。タンパク質チロシンキナーゼとタンパク質チロシンホスファターゼの機能は、あらゆるタンパク質のホスホチロシンのレベルを相殺します。タンパク質チロシンキナーゼとタンパク質チロシンホスファターゼの特定の鎖の機能不全は、肥満、インスリン抵抗性、2 型糖尿病など、複数のヒト疾患に関連しています。^[64]チロシンのリン酸化は、真核生物、特定の細菌種で発生し、原核生物にも存在します。チロシンのリン酸化は、真核生物での機能と同様に、細菌の細胞調節を維持します。^[65]

多くのグラム陽性細菌におけるアルギニンリン酸化は、Clpプロテアーゼによる分解のためにタンパク質を標識する。^[34]

ヒトタンパク質のリン酸化は、HeLa細胞抽出物中のリン酸化ヒスチジン（1位と3位）、アスパラギン酸、システイン、グルタミン酸、アルギニン、リジンを含むモチーフを含む、複数の非標準アミノ酸上で広く起こっています。これらのリン酸化残基は化学的および熱的に不安定であるため、熱安定性のある「古典的な」Ser、Thr、Tyrリン酸化とともに保存するには、特別な手順と分離技術が必要です。^[66]

抗体は、タンパク質が特定の部位でリン酸化されているかどうかを検出するための強力なツールとして使用できます。抗体はタンパク質に結合し、リン酸化によって誘発されるタンパク質の構造変化を検出します。このような抗体はリン酸化特異的抗体と呼ばれ、現在数百の抗体が利用可能です。これらは基礎研究と臨床診断の両方において重要な試薬になりつつあります。

翻訳後修飾(PTM) アイソフォームは2D ゲルで簡単に検出できます。実際、リン酸化により、セリン、スレオニン、またはチロシンの中性ヒドロキシル基が、pK が 1.2 および 6.5 付近の負に帯電したリン酸に置き換えられます。したがって、pH 5.5 未満では、リン酸は 1 つの負電荷を追加します。pH 6.5 付近では、1.5 の負電荷を追加します。pH 7.5 を超えると、2 つの負電荷を追加します。各アイソフォームの相対量も、2D ゲルの染色強度から簡単かつ迅速に決定できます。

非常に特殊なケースでは、タンパク質の電気泳動移動度の変化としてリン酸化を検出することが、単純な1次元SDS-PAGEゲル上で可能であり、これはKovacsらによる転写共活性化因子の例で説明されている。^[67]この現象の根底には、リン酸化に関連した強い構造変化（洗剤を含む溶液中でも持続する）があると考えられている。このような移動度の変化が説明されているリン酸化部位のほとんどは、SP部位とTP部位のカテゴリに分類される（つまり、リン酸化セリンまたはスレオニン残基の後にプロリン残基が続く）。

大規模な質量分析は、タンパク質のリン酸化部位の特定に使用されてきた。数十の研究が発表されており、それぞれ数千の部位が特定されているが、その多くはこれまで説明されていなかった。^{[68] [69]質量分析は、HCD または}ETDフラグメンテーションを使用したこのような分析に最適である。リン酸化が追加されると、タンパク質とリン酸化残基の質量が増加するためである。これらの研究には高度で高精度の質量分析計が必要であるため、この技術は高性能の質量分析計を備えた研究室に限定される。しかし、質量分析によるリン酸化ペプチドの分析は、依然として「通常の」未修飾ペプチドほど簡単ではない。EThcDは、電子移動と高エネルギー衝突解離を組み合わせて開発された。通常のフラグメンテーション方法と比較して、EThcD スキームは、リン酸化部位の明確な位置特定のためのより有益な MS/MS スペクトルを提供する。^[70]

リン酸化部位の詳細な特徴付けは非常に困難であり、質量分析によるタンパク質リン酸化の定量には同位体内部標準アプローチが必要である。^[71]相対定量は、さまざまな差動同位体標識技術で得ることができる。^[72] また、蛍光免疫測定、マイクロスケール熱泳動、FRET、TRF、蛍光偏光、蛍光消光、移動度シフト、ビーズベースの検出、細胞ベースのフォーマットなど、いくつかの定量的なタンパク質リン酸化法がある。^{[73] [74]}

タンパク質のリン酸化は、動物、植物、真菌、細菌、古細菌など、あらゆる生物群に共通しています。タンパク質のリン酸化メカニズムの起源は祖先から来ており、種によって大きく異なります。真核生物では、全タンパク質の 30 ～ 65% がリン酸化され、リン酸化部位は数万から数十万に及ぶと推定されています。^{[75] [2]}一部のリン酸化部位は、原核生物の代謝酵素イソクエン酸デヒドロゲナーゼのように、酵素の活性部位をブロックする条件付き「オフ」スイッチとして進化したようです。しかし、活性化するためにリン酸化される必要があるタンパク質の場合、リン酸化されていない祖先からどのように出現したのかは明らかではありません。異なる種の間では、セリンリン酸化部位のサブセットがアスパラギン酸やグルタミン酸などの酸性残基に置き換えられることが多いことが示されています。これらの陰イオン残基はリジンやアルギニンなどの陽イオン残基と相互作用して塩橋を形成し、タンパク質の構造を変化させる安定した非共有結合相互作用を起こす。これらのリン酸化部位はしばしば塩橋に関与しており、これはリン酸化部位の一部が塩橋の条件付き「オン」スイッチとして進化し、特定のシグナルに反応してのみこれらのタンパク質が活性構造をとることを示唆している。^[76]

真核生物のタンパク質キナーゼは約 600 種類知られており、真核生物の遺伝子ファミリーとしては最大級のものです。リン酸化のほとんどは、保存されたキナーゼドメインを共有するタンパク質キナーゼの単一のスーパーファミリーによって行われます。タンパク質のリン酸化は、サイクリン依存性キナーゼ (CDK) に依存する細胞周期の進行など、細胞生存に中心的な役割を果たす経路で高度に保存されていますが、個々のリン酸化部位は柔軟な場合が多くあります。CDK リン酸化の標的は、多くの場合、不規則なセグメントにリン酸化部位を持ち、近縁種であっても場所が異なります。逆に、構造的に定義された領域にある CDK リン酸化の標的は、より高度に保存されています。CDK 活性はすべての真核生物の細胞の成長と生存に不可欠ですが、正確な位置が強く保存されているリン酸化部位はごくわずかです。タンパク質構造をアロステリックに制御するリン酸にとって、配置は非常に重要である可能性が高いが、リン酸化ペプチド結合ドメインと相互作用して制御タンパク質をリクルートするリン酸にとっては、配置ははるかに柔軟である。^[77]

タンパク質リン酸化は、タンパク質の可逆的な翻訳後修飾である。真核生物では、タンパク質リン酸化は細胞シグナル伝達、遺伝子発現、分化に機能する。また、細胞周期中のDNA複製や、ストレス誘発性複製ブロックに対処するメカニズムにも関与している。真核生物と比較して、原核生物はシグナル伝達にハンクス型キナーゼとホスファターゼを使用する。細菌におけるタンパク質のリン酸化がDNA修復や複製などのプロセスも制御できるかどうかはまだ不明である。^[78]

原核生物のタンパク質リン酸化と比較すると、酵母からヒト細胞までの真核生物におけるタンパク質リン酸化の研究はかなり広範囲に及んでいる。真核生物は、細胞シグナル伝達のためにセリン、スレオニン、チロシンの側鎖にあるヒドロキシル基のリン酸化に依存していることが知られている。これらは真核細胞における主要な調節性翻訳後修飾であるが、原核生物のタンパク質リン酸化はそれほど熱心に研究されていない。真核生物ではセリン、スレオニン、チロシンがリン酸化されるが、原核生物と真核生物ではヒスチジンとアスパラギン酸がリン酸化される。細菌では、ヒスチジンリン酸化はホスホエノールピルビン酸依存性ホスホトランスフェラーゼシステム（PTS）で起こり、糖のリン酸化だけでなく内在化のプロセスにも関与している。^[79]

タンパク質キナーゼによるタンパク質リン酸化は、大腸菌とチフス菌で初めて示され、その後、他の多くの細菌細胞でも実証されています。^[80]細菌は、ヒスチジンとアスパラギン酸のリン酸化を細菌シグナル伝達のモデルとして使用していることがわかりました。細菌には、セリン、スレオニン、チロシンのリン酸化も存在します。細菌は、真核生物のキナーゼとホスファターゼと同様のキナーゼとホスファターゼを持ち、また、真核生物には見られない独自のキナーゼとホスファターゼも開発しています。^[79]

異常なタンパク質リン酸化は、がん、アルツハイマー病、パーキンソン病、その他の変性疾患など、多くの疾患に関係していると言われています。

タウタンパク質は、ニューロンを含む細胞内の微小管を安定化させるのに役立つ微小管関連タンパク質（MAP）のグループに属します。^[81]タウタンパク質の会合および安定化活性は、そのリン酸化状態に依存します。アルツハイマー病では、タウタンパク質構造のミスフォールディングと異常な立体構造変化により、微小管への結合が無効になり、神経プロセス中に神経細胞骨格構造を組織化できなくなります。異常なタウは、微小管の組織化を阻害および破壊し、正常なタウを微小管から細胞質相に解放します。^[82]ミスフォールディングは、ニューロン内で線維性のもつれへの異常な凝集を引き起こします。タウタンパク質は機能するためにリン酸化される必要がありますが、タウタンパク質の過剰リン酸化は、会合できないことに対する主な影響の1つです。^[82]ホスファターゼPP1、PP2A、PP2B、およびPP2Cは、試験管内でタウタンパク質を脱リン酸化しますが、アルツハイマー病患者の脳の領域ではそれらの活性が低下しています。^{[82] [83]}タウリン酸化タンパク質は、高齢の非罹患個人と比較して、アルツハイマー病患者では3〜4倍過剰にリン酸化されています。アルツハイマー病タウは、微小管からMAP1とMAP2（他の2つの主要な関連タンパク質）を除去するようであり、この有害な効果は脱リン酸化が行われると逆転し、過剰リン酸化が障害活性の唯一の原因であることを証明しています。^[82]

α-シヌクレインはパーキンソン病に関連するタンパク質である。^[84]ヒトでは、このタンパク質はSNCA遺伝子によってコードされている。^[85] α-シヌクレインは神経伝達物質を運ぶシナプス小胞のリサイクルに関与しており、自然には折り畳まれていない形で存在する。パーキンソン病患者ではα-シヌクレインのレベルが上昇している。患者の体内に存在する非リン酸化α-シヌクレインの濃度とパーキンソン病の重症度には相関関係がある。^[86]具体的には、α-シヌクレインのSer129のリン酸化が重症度に影響を及ぼしている。健康な患者はパーキンソン病患者よりも非リン酸化α-シヌクレインのレベルが高い。患者におけるリン酸化α-シヌクレインの濃度と非リン酸化α-シヌクレインの濃度比の変化を測定することは、病気の進行の指標となる可能性がある。α-シヌクレインのリン酸化Ser129を標的とする抗体は、シヌクレイン病の分子的側面を研究するために使用される。^{[87] [88]}

Ser129のリン酸化はタンパク質の凝集と神経系へのさらなる損傷に関連している。シナプス前足場タンパク質Sept4が不十分な量で存在する場合、リン酸化α-シヌクレインの凝集が促進される可能性がある。α-シヌクレインとSept4の直接相互作用はSer129のリン酸化を阻害する。^{[89] [90] [91]}しかし、過剰発現の条件下では、シヌクレインの凝集がなくてもSer129のリン酸化が観察されることがある。^[92]