サイクリン依存性キナーゼは、ヒトのCDK4遺伝子によってコードされる酵素です。CDK4はサイクリン依存性キナーゼファミリーの一員であり、Saccharomyces cerevisiaeのcdc28およびSchizosaccharomyces cerevisiaeのcdc2の遺伝子産物に非常に類似しています。これは、タンパク質キナーゼ複合体の触媒サブユニットであり、細胞周期のG1期に重要です。キナーゼ活性はG1-S期に制限されており、これは調節サブユニットD型サイクリンおよびCDK阻害因子p16INK4aによって制御されています。このキナーゼは、網膜芽腫遺伝子産物（Rb）のリン酸化に関与していることが示されています。サイクリンD-CDK4（DC）複合体のSer/Thrキナーゼ成分は、RB1を含む網膜芽腫（RB）タンパク質ファミリーのメンバーをリン酸化および阻害し、G1/S遷移中の細胞周期を調節します。RB1のリン酸化は、転写因子E2FをRB/E2F複合体から解離させ、G1期を通過するために必要なE2Fターゲット遺伝子を転写します。初期G1では、RB1は低リン酸化状態です。サイクリンD-CDK4複合体は、さまざまな有糸分裂および抗有糸分裂シグナルの主要な統合因子です。SMAD3も細胞周期依存的にリン酸化され、その転写活性を抑制します。三量体複合体成分であるサイクリンD/CDK4/CDKN1Bは、核移動およびサイクリンD-CDK4複合体の活性に必要です。

図1. CDK4のタンパク質構造。

CDK4経路

哺乳類の細胞周期は、サイクリン調節と活性ヘテロ二量体の触媒CDK形成という2つの主要な分子クラスによって調節され、ターゲットタンパク質のリン酸化を引き起こします。CDK4とその近縁のホモログCDK6は、D型サイクリンとヘテロ二量体を形成するセリン/スレオニンキナーゼであり、細胞周期におけるG1-S遷移の主要な調節因子です（図2）。

サイクリンE–CDK2複合体とともに、サイクリンD–CDK4/6複合体は網膜芽腫タンパク質（RB1）をリン酸化し、RNAポリメラーゼIおよびIIIの活性と遺伝子転写を抑制する能力を低下させます（図3）。低リン酸化状態のRB1は、E2F転写因子ファミリーの役割を抑制し、S期において目的の遺伝子のプロモーターにヒストン脱アセチル化酵素をリクルートすることによって遺伝子転写を調節します。リン酸化されたRB1のこれらの抑制効果は、リボソーム生合成の調節を引き起こし、これがタンパク質合成およびその後の細胞周期プロセス、ヌクレオチド生合成、DNA複製、有糸分裂プロセス、DNA損傷修復に影響を与えます。したがって、CDK4/6によるRB1の不活化は、細胞周期の進行に不可欠です。このプロセスは、サイクリンD–CDK4/6複合体の組み立てと活性化を特異的に抑制する腫瘍抑制遺伝子p16INK4Aによって負に調節されます。この経路のさらなる制御は、CDK4/6によるRB1の不活化がRB1によるp16INK4Aの抑制効果を低下させ、p16INK4Aの増加を引き起こし、その後CDK4/6活性の低下をもたらす負のフィードバックループを通じて行われます。したがって、この負のフィードバックループは、経路を活性化する際の自然なブレーキの役割を効果的に果たします。HPV感染細胞では、RB1が欠如しているため、p16INK4Aの発現も増加し、E7タンパク質がRB1の分解を引き起こし、この発現は遺伝的にRB1を持つ細胞にも存在します。これらのデータは、RB1からp16INK4Aへの調節フィードバックが生理的および病理的条件の両方で存在することを確認しています。これらの場合、RB1は永久に失われ、この喪失はp16INK4Aの発現増加が細胞周期を抑制するのを防ぎます。正常細胞では、p16INK4Aのレベルは通常低く、細胞周期が進行することを可能にします。癌原性シグナル伝達、DNA損傷、および生理的老化後のp16INK4Aの発現増加は、細胞増殖を抑制します。これらの3つのプロセスはまた、細胞老化を引き起こし、p16INK4Aによる細胞周期停止が老化を誘導するための必要条件である可能性を示唆しています。

参考文献:

1. Karen E; et al. he Cell-Cycle Regulator CDK4: An Emerging Therapeutic Target in Melanoma. Clinical Cancer Research. 2013, 19(19):5320-5328.