カゼインキナーゼ1（CK1）ファミリーは、セリン／スレオニンプロテインキナーゼであり、組織細胞における多くの生理的および病理的プロセスの調節に関与し、さまざまなシグナル伝達経路を通じて生命の秩序ある進行を調整します。Hedgehog（Hh）、Hippo、Wnt/β-カテニン経路は、CK1が細胞増殖や増殖、胚発生、エネルギー代謝、概日リズムなどの生命活動を調節する主なシグナル伝達経路です。研究により、CK1メンバーはWnt、Hhなどの経路の上流シグナルの調節に重要な役割を果たし、特にシグナル伝達経路における酵素活性の調節に重要な役割を持つことが明らかになっています。CK1ファミリーのメンバーは多くの細胞で高発現しています。同時に、さまざまなシグナル伝達経路を調節することで、体内のさまざまな生命活動を秩序立てて行わせています。

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発見されています。哺乳類には7つのファミリーメンバー（時にアイソフォームとも呼ばれますが、異なる遺伝子によってコードされています）：α、β1、γ1、γ2、γ3、δ、εがあります。アイソマーは22～55kDaの範囲で、真核生物の膜、核、細胞質、哺乳類細胞の有糸分裂紡錘体で同定されています。これらのファミリーメンバーはキナーゼドメインで最も高い相同性（53%～98%の同一性）を持ち、キナーゼドメインVIIIにA-P-Eの代わりにS-I-N配列が存在することで、他の多くのプロテインキナーゼと異なります。このファミリーメンバーはin vitroで類似した基質特異性を持つように見え、in vivoでは細胞内局在や特定基質のドッキングサイトを通じて基質選択が調節されると考えられています。共通のリン酸化部位は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、下線付き残基が標的部位を示します。したがって、このCKIコンセンサス部位は他のキナーゼによってトリガーされる必要があります。CKIはまた、標的S/TのN末端に酸性アミノ酸クラスター（n-3に酸性残基を含む）およびC末端に疎水性領域を理想的に含む関連する非プライム部位もリン酸化します。n-3位置の単一の酸性残基だけではCKIリン酸化を達成するのに十分ではありません。対照的に、いくつかの重要な標的、NF-ATやβ-カテニンでは、CKIはn-3の開始を必要とせず、リン酸化配列SLSの最初のセリンが標的となり、その後に酸性残基のクラスターが続きますが、最良の位置でも効率は低いです。

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の重要性は、1990年代後半に初めて報告されました。CK1eが単離・クローニングされ、Xenopusで遺伝子発現が行われました。Xenopusは二次胚軸への分化に用いられ、CK1がこの経路で正の調節的役割を果たすことが確認されました。その後、CK1メンバーがWnt/β-カテニンシグナル伝達経路の調節に積極的に関与していること、同時にシグナル伝達経路で負の調節的役割を果たす可能性があることも明らかになりました。CK1によるリン酸化はWnt/β-カテニンシグナル伝達の複数の段階で起こり、異なるCK1サブユニットがWntシグナルに異なる調節効果を及ぼします。過剰発現実験では、CK1a、CKd、CKeなどのCK1サブユニットが哺乳類細胞の内因性Axinタンパク質複合体に結合し、β-カテニン「破壊複合体」の一部を形成することが判明しました。その中で、CK1aは主に残基228231とAxinの結合および「破壊複合体」を介してβ-カテニンのリン酸化と分解を開始する役割を担っています。Wntが存在しない場合、CK1はβ-カテニン遺伝子部位S45およびGSK3遺伝子部位S33のリン酸化を介して、β-カテニン遺伝子部位T41およびS37の連続的なリン酸化を引き起こすことができます。CK1機能不全の哺乳類細胞、ショウジョウバエ、マウス、およびCK1aノックアウトマウスでは、CK1a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調節することが示されています。

図2. Wnt8のタンパク質構造。

Hhシグナル伝達古典経路

Hhシグナル受容体複合体は主に12回膜貫通型受容体Patched（Ptc）およびHh、7回膜貫通型タンパク質Smoothened（Smo）で構成され、SmoはHhシグナル伝達における必須のシグナル伝達分子です。Hhシグナルが存在しない場合、Ptch1は何らかのメカニズムでGタンパク質共役受容体（GPCR）およびシグナル伝達分子Smoの活性を抑制できます。Hhシグナルが受容体PtcIhogと結合すると、PtcによるSmoの抑制が軽減され、エンベロープの凝集が促進され、Smoの細胞質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などのさまざまなキナーゼがSmoのリン酸化と活性化に関与し、同時にSmoを介した転写因子（Ci）/Gliジンクフィンガー構造の活性化を促進し、Hh標的遺伝子の発現を誘導します。Smoシグナル伝達分子の活性は、そのリン酸化レベルと密接に関連しています。これまでに同定されたキナーゼの中で、CK1とPKA、特にCK1はSmoペプチド鎖のC末端セリン残基のリン酸化に重要な役割を果たしています。

結論

CK1はさまざまなシグナル経路を通じて生体の多様な活動の調節に関与し、さまざまなシグナルとともに体の秩序ある動きを維持しています。現在、CK1に関する研究はさらに深化しています。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／下流のタンパク質調節ネットワークを形成し、体内の代謝、概日リズム、成長を調節する可能性もあります。関与が期待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（Pereod）、CRYY（Crytochrome）などが含まれます。要約すると、高度に保存されたCK1ファミリーのメンバーは、多くの細胞でDNAの増殖、処理と修復、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、多くの重要な調節的役割を果たしています。CK1のさまざまな経路への調節効果とそのメカニズムは、今後さらに探求され、さまざまな疾患の治療に新たなアイデアを提供することが期待されます。

参考文献

1. Bingham EW; 他．授乳中の乳腺ゴルジ体由来のカゼインキナーゼ．The Journal of Biological Chemistry. 1974年, 249巻 (11): 3647–51.