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の遺伝子産物と非常によく似ています。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期に重要な役割を果たします。キナーゼ活性はG1-S期に限定されており、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によって制御されています。このキナーゼは、網膜芽細胞腫遺伝子産物（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、RBタンパク質ファミリー（RB1を含む）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、その後のE2F標的遺伝子の転写を促進し、G1期の進行に関与します。初期G1期では、RB1は低リン酸化状態にあります。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、その転写活性を阻害します。三者複合体成分であるサイクリン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す。

図1. CDK4のタンパク質構造。

CDK4経路

哺乳類の細胞周期は、2つの主要な分子群―サイクリンによる調節と、活性型ヘテロダイマーを形成する触媒的CDK―によって制御され、標的タンパク質のリン酸化を引き起こします。CDK4およびその近縁体である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ダイマーを形成し、細胞周期のG1-S移行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の活性や遺伝子転写を抑制する能力が低下します（図3）。低リン酸化状態のRB1は、E2F転写因子ファミリーの機能を阻害し、ヒストン脱アセチル化酵素をS期の目的遺伝子プロモーターにリクルートすることで遺伝子転写を調節します。リン酸化RB1のこれらの抑制効果は、リボソーム生合成の調節につながり、タンパク質合成や転写因子、細胞周期の後続プロセス、ヌクレオチド生合成、DNA複製、有糸分裂過程、DNA損傷修復に影響を与えます。したがって、CDK4/6によるRB1の不活性化は細胞周期進行に不可欠です。このプロセスは、腫瘍抑制遺伝子p16INK4Aによって負に制御され、これはサイクリンD–CDK4/6複合体の組み立てと活性化を特異的に阻害します。この経路のさらなる制御は、CDK4/6によるRB1の不活性化がRB1を介したp16INK4Aの抑制効果を減少させ、p16INK4Aの増加をもたらし、その後CDK4/6活性が低下するという負のフィードバックループによって行われます。したがって、この負のフィードバックループは経路の活性化に対して自然なブレーキの役割を果たします。HPV感染細胞では、RB1が欠失しているため、p16INK4Aの発現も増加しており、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を有する細胞にも見られます。これらのデータは、生理的および病理的条件の両方でRB1からp16INK4Aへの調節フィードバックが存在することを示しています。これらの場合、RB1は恒久的に失われており、この喪失により増加したp16INK4A発現が細胞周期を阻害することができなくなります。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す。発がん性シグナル伝達、DNA損傷、および生理的老化後のp16INK4A発現の増加は細胞増殖を阻害します。これら3つのプロセスは細胞老化も誘発し、p16INK4Aによる細胞周期停止が老化誘導の必須条件である可能性を示唆しています。

参考文献:

1. Karen E; 他. 細胞周期調節因子CDK4：メラノーマにおける新たな治療標的. Clinical Cancer Research. 2013, 19(19):5320-5328.