MAPキナーゼ

ミトジェン活性化プロテインキナーゼ（EC 2.7.11.24、MAPキナーゼ）は、転移酵素のクラスに属し、細胞外刺激によって活性化されるセリン/スレオニン特異的プロテインキナーゼです。活性化されると、基質のリン酸化を触媒します。この酵素クラスの系統名はATP:プロテインホスホトランスフェラーゼです。最初のMAPキナーゼERK1は哺乳類で同定され、その後の研究でMAPキナーゼは植物、動物、真菌を含む真核生物にのみ存在することがわかりました。MAPキナーゼシグナル伝達経路は、ミトジェン、成長ホルモン、浸透圧ショック、UV放射線などの細胞外刺激に応じて、遺伝子発現、細胞増殖、分化、アポトーシスを調節します。

分類

哺乳類には14種類のMAPキナーゼが含まれ、従来型MAPキナーゼと非典型MAPキナーゼの2つのカテゴリに分けられます。従来型MAPキナーゼの各グループは、MAPキナーゼ（MAPK）、MAPKキナーゼ（MAPKK）、およびMAPKKキナーゼ（MAPKKK）の3つのキナーゼで構成され、順次作用します。非典型MAPキナーゼは従来型MAPキナーゼの特性を共有せず、古典的な三層キナーゼカスケードを形成しません。

図1. 従来型および非典型MAPKの概略図。（Cargnello M, Roux P.P. 2011）

構造

MAPキナーゼはプロテインキナーゼファミリーのメンバーです。哺乳類のMAPキナーゼには、細胞外シグナル調節キナーゼ（ERK）ファミリー、c-Jun N末端キナーゼファミリー（JNK）、およびp38キナーゼファミリーが含まれます。すべてのプロテインキナーゼは、N末端ドメインとC末端ドメインの2つのドメインを含みます。ERK MAPキナーゼのN末端ドメインは、複数のβストランドと2つのヘリックスで構成され、グリシンに富むATP-リン酸結合リボンを含みます。C末端ドメインは主にヘリックスで構成され、リン酸化リップとMAPキナーゼ挿入を含み、P+1サイト、触媒ループの位置です。基質のホスホアクセプターは「触媒ループ」の近くの保存された残基に結合し、基質のP+1残基はC末端ドメインの表面ポケットに結合します。MAPキナーゼは、50残基の挿入（MAPキナーゼ挿入）によって他のプロテインキナーゼと異なります。

図2. 非リン酸化ERK2（A）およびリン酸化ERK2（B）の構造。（Canagarajah B.J. 1997）

触媒メカニズム

プロテインキナーゼは、ATPからプロテイン基質のヒドロキシル基へのリン酸基（PO₃^2-）の転送を触媒します。MAPキナーゼはプロリン指向のホスホトランスフェラーゼであり、P+1サイトにプロリンを含む基質のみを触媒します。基質のN末端ドメインはMAPキナーゼのC末端ドメインに結合します。ERK MAPキナーゼの配列では、K/D/D（リジン/アスパラギン酸/アスパラギン酸）と呼ばれるモチーフがその触媒機能を示します。β3ストランドのリジン（K88/71）はATPと塩橋を形成します。触媒ループのAsp166/149は触媒の基盤です。このアスパラギン酸は基質の-OH基からプロトンを取り、MgATPのγ-リン酸基に対する酸素原子の求核攻撃を促進します。2つ目のアスパラギン酸はマグネシウムイオンに結合し、ATPのα、β、γリン酸基を配位します。

図3. プロテインキナーゼの触媒メカニズム。（Robert Roskoski Jr. 2012）

図4. ERK MAPキナーゼの触媒メカニズム。（Robert Roskoski Jr. 2012）

MAPキナーゼの活性化と不活性化

MAPキナーゼの活性化は、リン酸化リップの2つのリン酸化部位によって調節されます。すべてのMAPキナーゼは、特定のMAPKKによって触媒される二重リン酸化の部位であるThr-Xxx-Tyr配列を含みます。ERKリン酸化リップでは、MEKが最初にチロシン残基のリン酸化を媒介します。次に、チロシンリン酸化されたERKはMEKから分離され、その後再びMEKと結合し、スレオニンをリン酸化します。スレオニンとチロシンのリン酸化はERK活性を1000倍に増加させます。MAPキナーゼの不活性化はMAPキナーゼホスファターゼ（MKP）によって媒介されます。MKPは、次の一方向反応に従って活性化されたMAPキナーゼの脱リン酸化を触媒します：プロテイン–OPO₃²⁻ + HO : H → プロテイン–OH + HO : PO₃²⁻。

応用

ヒトには4つのMAPキナーゼ経路があります。標準的なMAPキナーゼ経路は、MAPKKK、MAPKK、および下流のMAPKで構成されています。MAPキナーゼ経路は、ヒトの癌細胞の生存、拡散、および薬物療法に対する抵抗性にとって重要です。MAPキナーゼ経路は、刺激からの入力を受け取るシグナルノードであり、MAPキナーゼ経路の出力を制御するために細胞内で時間的および空間的調節があります。正常なMAPキナーゼ経路は、細胞の老化を誘導し、重要なタンパク質のユビキチン化による分解を通じて腫瘍を抑制します。腫瘍形成における遺伝子変異は、キナーゼの調節異常とMAPキナーゼ経路の過剰活性化を引き起こします。MAPキナーゼ経路を活性化する特定の癌遺伝子変異の発見は、多くのタイプの腫瘍に対する標的療法の開発につながり、ERKおよびMEKタンパク質はターゲットとして成功裏に使用されています。

MAPキナーゼ経路は二面性の剣です。MAPキナーゼ経路の要素を阻害する治療法は一定の成功を収めていますが、特定のタンパク質ターゲットを標的とする小分子阻害剤は二次的な悪性腫瘍の発生を引き起こすことがあるため、この方法の適用はさらに評価する必要があります。

参考文献