CAMKKファミリー

CaMキナーゼファミリーの一部のメンバーは、Ca²⁺/CaMに依存する他のキナーゼの基質となる。CaMKIおよびCaMKIVのCa²⁺/CaM依存性タンパク質活性化因子は、それぞれ別個に精製された。ほどなく、これらの活性化因子が同一分子であることが判明し、現在ではカルモジュリン依存性プロテインキナーゼキナーゼ（CaMKK）と呼ばれている。CaMKKは、上記3種のCaMキナーゼが関与するCaMキナーゼカスケードの最上流要素である。同一のアロステリックモジュレーター（Ca²⁺/CaM）により活性化されるシグナルカスケードにおいて、独立した酵素を複数段階で配置することの厳密な利点は十分に解明されていないが、CaMキナーゼカスケードはこの種のシステムの唯一の例ではない。この配置の潜在的な利点の一つとして、動的プルーフリーディング効果が挙げられる。すなわち、結合反応における拡散律速段階により、Ca²⁺シグナルの持続時間が十分に長く、両者がCa²⁺/CaMと複合体を形成したうえで互いを見いだすことができない限り、下流酵素が完全には活性化されないことが担保される。この観点から、CaMキナーゼカスケードが遺伝子転写事象をどのように制御するかを検討することは合理的である。遺伝子転写は長期的な生物学的変化を引き起こし得るため、誤作動を防ぐ機構を介してのみ開始されるべきである。

CaMKKのアイソフォーム

CaMKKには2つのアイソフォームがあり、505アミノ酸からなるαアイソフォームと、やや大きい587アミノ酸からなるβアイソフォームが存在する。各アイソフォームは別個の遺伝子から発現し、細胞内ではいずれもモノマーとして発現している。CaMKKは脳組織で最も高発現するが、αアイソフォームは胸腺および脾臓でも発現する。細胞内においてCaMKKは細胞質および核に局在し、細胞質および核内のCa²⁺濃度変化に応答する準備状態にあり、CaMキナーゼカスケードにおける既知の2つの基質に作用する。2つのCaMKKアイソフォームのドメイン構造は他のCaMキナーゼと類似しており、触媒ドメイン、自己阻害ドメイン、CaM結合ドメインを有し、N末端からC末端にかけて配置されている。CaMKKの結晶構造は未解明であるが、PKAと非常に類似した特性を有する他のCaMキナーゼと極めて近い構造である可能性がある。すべてのCaM依存性キナーゼと同様に、CaMKKの自己阻害ドメインは不活性状態を維持し、触媒ドメインと相互作用してキナーゼ活性を阻止する。Ca²⁺/CaMの結合は、自己阻害ドメインを置換して有効な触媒部位を露出させることにより、この阻害を緩和する。これによりCaMKKが活性化され、下流基質であるCaMKIおよびCaMKIVのリン酸化が誘導されるが、このリン酸化は活性化に必要である一方で、それだけでは十分ではない。

CaMKIキナーゼ

CaMKIはCaMキナーゼカスケードにおける2つの下流標的の一つであり、その活性化にはCa²⁺/CaM結合と、それに続くCaMKKによるリン酸化の双方が必要である。CaMKIは約42 kDaのモノマー性キナーゼで、α、β、γのサブタイプをコードする3つの遺伝子により発現し、ほとんどの哺乳類細胞に広く分布する。CaMKIは細胞質タンパク質であり、そのタンパク質基質の範囲については不明な点が多いが、おそらく複数の機能を有する。

Ca²⁺/カルモジュリン活性化プロテインキナーゼ（CaMキナーゼ）の一般的特性

CaMキナーゼファミリーのメンバーはすべてSer/Thrキナーゼに分類され、基質のP部位（リン酸化標的部位）にはいずれもSerまたはThrが含まれる。名称が示すとおり、活性化は当初Ca²⁺/CaM結合に依存するが、活性化後にCa²⁺/CaM非依存性となるものや、完全活性化を達成するために他の修飾因子（例：リン酸化）を要するものがあることが明らかである。これらの制御上の差異により、比較的小規模なタンパク質ファミリーでありながら、多様な細胞機能に対して卓越した制御性を発揮できる。CaMキナーゼの全体的なドメイン構成はPKAの構造と非常に類似しており、二葉性の触媒ドメインに続いて自己阻害ドメインおよびCaM結合ドメインが配置される。自己阻害ドメインとCaM結合ドメインは一部が重複しており、Ca²⁺/CaM結合が自己阻害ドメインの機能を制御する。基礎的なCa²⁺濃度では、CaMキナーゼは触媒ドメイン下流の制御ドメインが関与する自己阻害機構により休眠状態に保たれる。現時点のデータは、CaMキナーゼが両方の戦略を用い、ときにその2つを組み合わせて用いることさえ示している。自己阻害機構の如何にかかわらず、細胞内Ca²⁺濃度が上昇すると（受容体／イオンチャネルの開口、または細胞内貯蔵からの放出による）、CaMは4個のCa²⁺イオンで飽和し、コンフォメーション変化を起こして、CaM上の標的部位への結合が可能となる。

参考文献：

1. Swulius M T; et al. Ca²⁺/Calmodulin-dependent Protein Kinases. Cellular and Molecular Life Sciences, 2008, 65(17):2637-2657.