カゼインキナーゼ1（CK1）ファミリーに属するセリン／スレオニンプロテインキナーゼは、組織細胞における多様な生理学的・病理学的プロセスの制御に関与し、複数のシグナル伝達経路を介して生命活動の秩序だった進行を協調的に調節している。Hedgehog（Hh）、Hippo、Wnt/β-カテニン経路は、CK1が細胞増殖・増殖能、胚発生、エネルギー代謝、概日リズム等の生命活動を制御する主要なシグナル伝達経路である。研究により、CK1ファミリー分子はWnt、Hh等の経路における上流シグナルの調節に重要な役割を担い、とりわけシグナル伝達経路内の酵素活性制御において重要であることが示されている。CK1ファミリー分子は多くの細胞で高発現しており、同時に各種シグナル伝達経路を調節することで、生体の多様な生命活動を秩序立てて維持している。

図1．CK1のタンパク質構造。

カゼインキナーゼ1ファミリー

CK1ファミリーのセリン／スレオニンプロテインキナーゼは、酵母からヒトに至る真核生物で同定されている。哺乳類には7つのファミリーメンバー（しばしばアイソフォームと呼称されるが、別個の遺伝子によりコードされる）が存在し、α、β1、γ1、γ2、γ3、δ、εからなる。分子量22～55 kDaの各種アイソマーが、真核生物の膜、核、細胞質、ならびに哺乳類細胞の有糸分裂紡錘体で同定されている。これらのファミリーメンバーはキナーゼドメインにおいて最も高い相同性（同一性53%～98%）を示し、キナーゼドメインVIIIにおいて多くの他のプロテインキナーゼが有するA-P-E配列の代わりにS-I-N配列を有する点で特徴づけられる。本ファミリーはin vitroでは類似した基質特異性を示す一方、in vivoにおける基質選択は、細胞内局在および特定基質上のドッキング部位により制御されると考えられている。代表的なリン酸化部位はS/Tp-XXS/Tであり、S/Tpはリン酸化セリンまたはリン酸化スレオニン、Xは任意のアミノ酸、下線部残基が標的部位を示す。したがって、このCK1コンセンサス部位は他のキナーゼによるプライミングを必要とする。CK1はまた、プライミングを要しない関連部位もリン酸化し得るが、その理想的配列は、標的S/TのN末端側に酸性アミノ酸クラスター（n-3位に酸性残基を含む）を有し、標的S/TのC末端側に疎水性領域を伴うものである。n-3位に単一の酸性残基が存在するだけではCK1リン酸化を成立させるには不十分である。これに対し、重要な標的の一部であるNF-ATおよびβ-カテニンでは、CK1はn-3位のプライミングを必要とせず、リン酸化配列SLSの最初のセリンをリン酸化し、その後に酸性残基クラスターが続くが、最適配列であっても効率は低い。

Wnt／β-カテニンシグナル伝達経路

Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路におけるCK1の意義は、1990年代後半に初めて報告された。CK1εが単離・クローニングされ、アフリカツメガエル（Xenopus）で遺伝子発現させたところ、二次胚軸の形成が誘導され、本経路においてCK1が正の制御因子として機能することが確認された。その後、CK1ファミリーメンバーがWnt/β-カテニン経路の制御に能動的に関与すること、同時にシグナル伝達に対して負の制御作用を担う可能性があることも示された。CK1介在性リン酸化はWnt/β-カテニンシグナル伝達の複数段階で生じ、CK1の各サブユニットはWntシグナルに対して異なる制御効果を示す。過剰発現実験では、CK1α、CK1δ、CK1ε等のサブユニットが哺乳類細胞において内因性Axinタンパク質複合体に結合し、β-カテニン「破壊複合体（destruction complex）」の構成要素となることが示された。なかでもCK1αは、残基228–231およびAxinとの結合を介して「破壊複合体」内でβ-カテニンのリン酸化と分解を開始する主要因子である。Wnt非存在下では、CK1はβ-カテニンのS45部位のリン酸化を起点として、GSK3によるS33部位のリン酸化を介し、β-カテニンのT41およびS37部位の連続的リン酸化を引き起こし得る。CK1機能不全の哺乳類細胞、ショウジョウバエ、マウス、ならびにCK1αノックアウトマウスにおいて、CK1αがβ-カテニンのリン酸化を介してWntシグナル伝達経路を負に制御することが示されている。

図2．Wnt8のタンパク質構造。

Hhシグナル伝達の古典的経路

Hhシグナル受容体複合体は主として、12回膜貫通受容体Patched（Ptc）とHhから構成され、7回膜貫通タンパク質Smoothened（Smo）はHhシグナル伝達に必須のシグナル伝達分子である。Hhシグナルが存在しない場合、Ptch1は何らかの機序により、Gタンパク質共役受容体（GPCR）およびシグナル伝達分子Smoの活性を抑制し得る。Hhシグナルが受容体Ptc/Ihogに結合すると、PtcによるSmo抑制が低減され、膜での凝集が促進されるとともにSmoの細胞質側C末端が露出し、CK1、プロテインキナーゼA（PKA）、GPCRキナーゼ2等の複数のキナーゼがSmoのリン酸化および活性化に関与する。さらに、Smo介在性に転写因子（Ci）/Gliのジンクフィンガー構造の活性化が促進され、Hh標的遺伝子発現が誘導される。Smoのシグナル伝達活性はそのリン酸化レベルと密接に関連している。これまでに同定されたキナーゼのうち、CK1およびPKA、特にCK1は、Smoポリペプチド鎖C末端のセリン残基のリン酸化において重要な役割を担う。

結論

CK1は異なるシグナル伝達経路を介して生体の多様な活動の制御に関与し、複数のシグナルと協調して生体機能の秩序だった作動を維持している。現在、CK1に関する研究はさらに深化している。上記のシグナル伝達経路に加え、CK1はタンパク質P469674と相互作用して上流／下流のタンパク質制御ネットワークを形成し、生体の代謝、概日リズム、成長等を調節する可能性がある。関与が想定されるタンパク質には、DVL、β-カテニン遺伝子配列、APC、β-TrCP遺伝子、PER（Period）、CRYY（Cryptochrome）等が含まれると考えられる。総括すると、高度に保存されたCK1ファミリーのメンバーは、DNA増殖、プロセシングおよび修復、細胞骨格ダイナミクス、小胞輸送、アポトーシス、細胞分化など、多くの細胞機能において重要な制御的役割を担う。異なる経路に対するCK1の制御作用およびその作用機序は、各種疾患の治療に向けた新たな知見を提供するため、さらなる解明が必要である。

参考文献

1. Bingham EW; et al. Casein kinase from the Golgi apparatus of lactating mammary gland. The Journal of Biological Chemistry. 1974, 249 (11): 3647–51.