サイクリン依存性キナーゼ1（Cyclin-dependent kinase 1：CDK1）は高度に保存されたタンパク質であり、セリン／スレオニンキナーゼとして機能し、細胞周期制御における主要因子である。出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeではcdc28遺伝子に、分裂酵母Schizosaccharomyces pombeではcdc2遺伝子にそれぞれコードされている。ヒトでは、CDK1はCDC2遺伝子によりコードされる。CDK1はサイクリンシャペロンと複合体を形成し、この複合体が複数の標的基質をリン酸化する（発芽酵母では75種超が同定されている）。これらタンパク質のリン酸化により細胞周期の進行が促進される。

CDK1と転写プログラム

細胞周期における一方向性の進行は、細胞の生存性および生物学的恒常性にとって極めて重要である。細胞周期の進行方向が逆転すると、ゲノム不安定性を含む深刻な影響を細胞にもたらし得る。そのため細胞は、細胞周期が不可逆であることを担保する機構を発達させてきた。一方向性を促進する主要機構の一つは、細胞周期の各段階で異なる転写プログラムを制御することである。一般に、各転写プログラムは次段階の細胞周期に重要なプロセスを担うプロテオームの発現を誘導し、細胞周期全体にわたる一方向の進行を促す。さらに後述するように、細胞周期の不可逆性を担保するためのフィードバック機構も発達している。正のフィードバックループは細胞周期への進入を堅牢化しスイッチ様の挙動をもたらす一方、負のフィードバックループは転写過程を抑制して細胞周期の逆転を防止する。

図1．CDK1のタンパク質構造。

Cdk1の制御

Cdk1の上流制御については広範に総説されているため、本稿ではバチルス酵母におけるCdk1制御に関して既知情報の概説にとどめる。サイクリンおよびCDKはSaccharomyces cerevisiaeと哺乳類の間で高度に保存されている。例えば、ヒトサイクリンは発芽酵母サイクリンを置換し得る。また、ヒトCdc2（Saccharomyces cerevisiaeにおけるCdk1）はSchizosaccharomyces cerevisiaeのCdc2およびSaccharomyces cerevisiaeのCdk1を置換し得ることから、進化の過程で細胞周期制御が維持されてきたことが示唆される。Cdk1は、サイクリン濃度が低いこと、ならびにサイクリン依存性キナーゼ阻害因子（CKI）であるSic1およびFar1が存在することにより、G1期には不活性である。G1後期にサイクリン濃度が上昇しCKIが分解されると、Cdk1活性は増大する。サイクリンが分解されCKIが再発現すると、Cdk1活性は低下するまで高い状態が維持される。Cdk1活性の低下は有糸分裂からの退出に必須であり、細胞周期をCdk1活性の低い基底的G1状態へリセットする。後述するように、Cdk1活性の変動は、DNA複製、修復、および分離を細胞周期の特定段階に限定するうえで重要な役割を果たし、各段階の不可逆性を担保する。最も重要なCdk1調節因子を以下に示すが、他にも一定程度Cdk1活性に影響し得るタンパク質が存在する。

CDK1とDNA複製

細胞周期の主要な帰結は、完全かつ全量の遺伝物質が世代から次世代へ伝達されることである。この過程を忠実に遂行する鍵は、（i）ゲノム複製、（ii）複製されたゲノムの娘細胞への分離（これについては「Cdk1と染色体分配」の節で論じる）の二事象にある。複製が完了する前に細胞が遺伝物質を分離するとゲノム不安定性を招くため、両過程は時間的に分離されなければならない。染色体複製はS期に起こり、複製染色体の分離はM期に起こる。細胞は、DNA複製開始を制御し、DNA複製が細胞周期あたり1回のみ起こることを規定する複雑な機構を発達させており、Cdk1はこれら事象において中心的役割を担う。

参考文献：

1. Farcas R; et al. Differences in DNA Methylation Patterns and Expression of the CCRK Gene inHuman and Nonhuman Primate Cortices., Mol Biol Evol, 2009, 26: 13791389.