MAPキナーゼ

ミトゲン活性化プロテインキナーゼ（EC 2.7.11.24、MAPキナーゼ）はトランスフェラーゼ（転移酵素）に分類される、細胞外刺激により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ある。活性化に伴い、基質のリン酸化反応を触媒する。本酵素群の系統名はATP:タンパク質ホスホトランスフェラーゼである。最初のMAPキナーゼであるERK1は哺乳類で同定され、その後の研究により、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示された。MAPキナーゼシグナル伝達経路は、ミトゲン、成長ホルモン、浸透圧ショック、紫外線照射などの細胞外刺激に応答して、遺伝子発現、細胞増殖、分化およびアポトーシスを制御する。

分類

哺乳類には14種類のMAPキナーゼが存在し、従来型MAPキナーゼ（conventional MAPK）と非定型MAPキナーゼ（atypical MAPK）の2群に大別される。従来型MAPキナーゼは、MAPキナーゼ（MAPK）、MAPKキナーゼ（MAPKK）、MAPKKキナーゼ（MAPKKK）の3種のキナーゼが順次作用する三段階カスケードから構成される。非定型MAPキナーゼは従来型MAPキナーゼの特徴を共有せず、古典的な三段階キナーゼカスケードを形成しない。

図1．従来型および非定型MAPKの模式図。（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一員である。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（JNK）ファミリー、およびp38キナーゼファミリーが含まれる。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つのドメインを有する。ERK型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本のヘリックスから構成され、グリシンリッチなATP-リン酸結合リボンを含む。C末端ドメインは主としてヘリックスからなり、リン酸化リップ（phosphorylation lip）およびMAPキナーゼ挿入領域（MAP kinase insertion）を含み、P+1部位および触媒ループ（catalytic loop）が位置する。基質のリン酸受容部位は「触媒ループ」近傍の保存残基に結合し、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する。MAPキナーゼは、約50残基の挿入（MAPキナーゼ挿入領域）を有する点で他のプロテインキナーゼと区別される。

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）

触媒機構

プロテインキナーゼは、ATPからタンパク質基質の水酸基へリン酸基（PO₃^2-）を転移する反応を触媒する。MAPキナーゼはプロリン指向性ホスホトランスフェラーゼであり、P+1部位にプロリンを含む基質のみを触媒する。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する。ERK型MAPキナーゼの配列には、触媒機能を示すK/D/D（Lys/Asp/Asp）と呼ばれるモチーフが存在する。β3ストランドのリジン（K88/71）はATPと塩橋を形成する。触媒ループのAsp166/149は触媒反応の中核であり、このアスパラギン酸が基質の−OH基からプロトンを引き抜くことで、酸素原子によるMgATPのγリン酸基への求核攻撃を促進する。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、当該イオンはATPのα、β、γリン酸基を配位する。

図3．プロテインキナーゼの触媒機構。（Robert Roskoski Jr. 2012）

図4．ERK型MAPキナーゼの触媒機構。（Robert Roskoski Jr. 2012）

MAPキナーゼの活性化および不活化

MAPキナーゼの活性化は、リン酸化リップ内の2つのリン酸化部位によって制御される。すべてのMAPキナーゼはThr-Xxx-Tyr配列を有し、特異的MAPKKによって二重リン酸化される部位となる。ERKのリン酸化リップでは、MEKがまずチロシン残基のリン酸化を介在する。次いで、チロシンがリン酸化されたERKはMEKから解離し、その後再びMEKと結合してスレオニンがリン酸化される。スレオニンおよびチロシンのリン酸化により、ERK活性は1000倍増加する。MAPキナーゼの不活化はMAPキナーゼホスファターゼ（MKP）により媒介される。MKPは、以下の一方向反応に従って活性化MAPキナーゼの脱リン酸化を触媒する：Protein–OPO₃²⁻ + HO : H → protein–OH + HO : PO₃²⁻。

応用

ヒトには4つのMAPキナーゼ経路が存在する。カノニカル（古典的）MAPキナーゼ経路は、MAPKKK、MAPKK、および下流のMAPKから構成される。MAPキナーゼ経路は、ヒトがん細胞の生存、播種（転移・浸潤）および薬物療法抵抗性にとって重要である。MAPキナーゼ経路は刺激入力を受け取るシグナル伝達ノードであり、細胞内ではMAPキナーゼ経路の出力を制御するために時間的・空間的な制御が存在する。正常なMAPキナーゼ経路は、細胞老化の誘導および重要タンパク質のユビキチン化分解を介して腫瘍を抑制する。腫瘍形成における遺伝子変異はキナーゼの制御異常を引き起こし、MAPキナーゼ経路の過剰活性化につながる。MAPキナーゼ経路を活性化する特定のがん遺伝子変異の発見は、多様な腫瘍に対する分子標的治療の開発を促進し、ERKおよびMEKタンパク質は標的として成功裏に利用されている。

MAPキナーゼ経路は諸刃の剣である。MAPキナーゼ経路の構成要素を阻害する治療法は一定の成功を収めている一方で、特定タンパク質標的に対する低分子阻害薬は二次性悪性腫瘍の発生につながることがあり、本手法の適用についてはさらなる評価が必要である。

参考文献