サイクリン依存性キナーゼは、ヒトではCDK4遺伝子にコードされる酵素である。CDK4はサイクリン依存性キナーゼ（CDK）ファミリーの一員であり、Saccharomyces cerevisiaeのcdc28およびSchizosaccharomyces cerevisiaeのcdc2の遺伝子産物と高い相同性を有する。CDK4はプロテイン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期において重要である。キナーゼ活性はG1-S期に限定され、これは調節サブユニットであるD型サイクリンおよびCDK阻害因子p16INK4aにより制御される。本キナーゼは、網膜芽細胞腫遺伝子産物（Rb）のリン酸化を担うことが示されている。サイクリンD–CDK4（DC）複合体のSer/Thrキナーゼ構成要素は、RB1を含む網膜芽細胞腫（RB）タンパク質ファミリーのメンバーをリン酸化して阻害し、G1/S移行期における細胞周期を制御する。RB1のリン酸化により、転写因子E2FがRB/E2F複合体から解離し、G1期の進行に関与する後続のE2F標的遺伝子の転写が誘導される。G1初期ではRB1は低リン酸化状態にある。サイクリンD–CDK4複合体は、多様な分裂促進および分裂抑制シグナルの主要な統合因子である。SMAD3も細胞周期依存的にリン酸化され、その転写活性が抑制される。三者複合体の構成要素であるサイクリンD/CDK4/CDKN1Bは、核内移行およびサイクリンD–CDK4複合体活性に必要である。

図1．CDK4のタンパク質構造。

CDK4経路

哺乳類の細胞周期は、2つの主要な分子クラス、すなわちサイクリンによる制御と、触媒サブユニットであるCDKが活性ヘテロ二量体を形成することにより制御され、これにより標的タンパク質のリン酸化が引き起こされる。CDK4およびその近縁ホモログであるCDK6はセリン／スレオニンキナーゼであり、D型サイクリンとヘテロ二量体を形成して、細胞周期におけるG1-S移行の主要な制御因子となる（図2）。

サイクリンE–CDK2複合体とともに、サイクリンD–CDK4/6複合体は網膜芽細胞腫タンパク質（RB1）をリン酸化し、その結果、RNAポリメラーゼIおよびIII活性ならびに遺伝子転写を阻害する能力を低下させる（図3）。低リン酸化RB1は、E2F転写因子ファミリーの機能を阻害し、S期に必要な遺伝子のプロモーターへヒストン脱アセチル化酵素をリクルートすることにより、遺伝子転写を制御する。リン酸化RB1によるこれらの抑制効果はリボソーム生合成の制御につながり、タンパク質合成および、後続の細胞周期過程、ヌクレオチド生合成、DNA複製、有糸分裂過程、ならびにDNA損傷修復を協調する転写因子に影響を及ぼす。したがって、CDK4/6によるRB1不活化は細胞周期進行に必須である。この過程は腫瘍抑制遺伝子p16INK4Aにより負に制御され、p16INK4AはサイクリンD–CDK4/6複合体のアセンブリおよび活性化を特異的に阻害する。さらに本経路は負のフィードバックループによって制御され、CDK4/6によるRB1不活化によりRB1を介したp16INK4Aの抑制効果が低下し、p16INK4Aが増加し、その後CDK4/6活性が低下する。したがって、この負のフィードバックループは経路活性化に対する自然なブレーキとして機能する。HPV感染細胞では、RB1の欠失によりp16INK4A発現も増加し、E7タンパク質がRB1分解を引き起こすこと、また遺伝学的にRB1を有する細胞においても同様の発現が認められる。これらのデータは、RB1からp16INK4Aへの調節性フィードバックが、生理的条件および病的条件の双方で存在することを裏付ける。これらの場合、RB1は恒常的に喪失しており、この喪失により、増加したp16INK4A発現が細胞周期を阻害できなくなる。正常細胞では、p16INK4Aレベルは通常低く、細胞周期の進行が可能である。腫瘍性シグナル伝達、DNA損傷、ならびに生理的老化に伴うp16INK4A発現増加は細胞増殖を抑制する。これら3つの過程は細胞老化も誘導することから、p16INK4A介在性の細胞周期停止は老化誘導に必要な条件である可能性が示唆される。

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.