カゼインキナーゼ1

カゼインキナーゼ1 (CK1) とは

カゼインキナーゼ1（CK1、EC 2.7.11.1）は、真核生物の細胞に広く分布するセリン・スレオニンプロテインキナーゼのグループです。これらの酵素は、他のタンパク質にある特定のセリンやスレオニン残基にリン酸基を付加する働きを持ち、細胞内の信号伝達経路において重要な調節役を担っています。CK1ファミリーに属する様々なアイソフォームは、細胞周期、DNA修復、転写、概日リズム、そして発生において重要なWntシグナル伝達など、細胞機能の多岐にわたる側面に関与しています。

発見の歴史

1950年代初頭には、放射性同位体を用いた研究により、細胞内のタンパク質に結合したリン酸基が活発に入れ替わっていることが明らかになりました。このリン酸化・脱リン酸化に関わる酵素（プロテインキナーゼとプロテインホスファターゼ）を詳細に調べるためには、扱いやすい基質が求められていました。カゼインは、タンパク質のリン酸化研究が始まった当初から、そうした基質として利用されてきました。1960年代後半には、重要な細胞機能調節酵素であるcAMP依存性プロテインキナーゼが精製され、キナーゼやホスファターゼへの関心が高まります。1974年、乳腺から単離された小胞体に関連するカゼインキナーゼ活性が初めて詳細に解析され、この活性がcAMPに依存しないことが示されました。これがCK1ファミリー酵素の初期の発見につながります。

CK1ファミリーの構造と多様性

CK1ファミリーのメンバーは単量体のセリン/スレオニンプロテインキナーゼであり、酵母からヒトに至るまで、多様な真核生物種に存在します。哺乳類では、現在までにα、β1、γ1、γ2、γ3、δ、εの7種類のアイソフォームが同定されており、それぞれ異なる遺伝子によってコードされています。これらのアイソフォームは、分子量が22 kDaから55 kDaと幅広く、細胞膜、細胞核、細胞質、そして哺乳類細胞では紡錘体など、細胞内の様々な場所に局在しています。

CK1ファミリーの酵素は、キナーゼドメインにおいて高い相同性を示しますが、他の多くのプロテインキナーゼとは異なり、キナーゼドメインVIIIのAPE配列の代わりにSIN配列を持つという特徴があります。in vitroでの基質に対する選択性は類似していますが、生体内での特定の基質への作用は、細胞内での局在や基質側のドッキング部位によって細かく調節されていると考えられています。リン酸化の認識配列の一つとして、他のキナーゼによるリン酸化を必要とするS/Tp-X-X-S/T配列（S/Tpはリン酸化されたセリンまたはスレオニン、Xは任意のアミノ酸）が知られています。一方で、CK1はプライミングされていない部位もリン酸化することができ、特に標的セリン/スレオニンのN末端側に酸性アミノ酸クラスターを持つ配列がより効率的にリン酸化される傾向があり、マイナス3位に酸性残基が存在することが重要とされています。ただし、NFATやβ-カテニンなどの重要な標的では、プライミングが不要な場合もあり、酸性残基クラスターに続くSLS配列の最初のセリンがリン酸化される例も報告されていますが、その効率は最適配列より低いとされます。

生体内での多様な役割

CK1ファミリーは、多くの細胞種で活性が認められ、多様な生理機能に関与しています。

Wntシグナル伝達

Wnt経路は、細胞の増殖や分化に関わる重要なシグナル伝達経路です。CK1εは、Wnt経路の重要な構成要素であるDishevelledのリン酸化に関与すると示唆されています。また、CK1αはβ-カテニンに結合し、これをリン酸化することで、β-カテニンの安定性やその後のシグナル伝達に影響を与えます。特に、脊椎動物やショウジョウバエにおいて、CK1γはLRPという受容体を介したWntシグナル伝達に必須であり、WntがLRPに結合すると、CK1γによるLRP細胞質ドメインのリン酸化が促進されます。このリン酸化は、LRPへのAxinの結合を促し、結果としてWntシグナル経路を活性化させます。

概日リズムの制御

CK1δとCK1εは、哺乳類において約24時間の生物リズム（概日リズム）を刻む分子機構に不可欠な要素です。概日リズムは、時計遺伝子の転写・翻訳およびその後の修飾によるフィードバックループによって生み出されています。

ショウジョウバエでは、CK1εのホモログであるdouble-time（DBT）が1998年に発見され、時計遺伝子としての役割が示されました。DBTは、時計タンパク質であるPER（Period）をリン酸化することで、その安定性や細胞内での蓄積タイミングを調節します。DBTの変異は概日周期の長さや安定性を変化させることが報告されており、これは哺乳類のCK1δやCK1εがPERタンパク質（PER1, PER2, PER3）をリン酸化し、その分解や核移行を制御するのと同様のメカニズムと考えられています。PERのリン酸化は、ユビキチン化を促進して分解を誘導する効果と、核移行シグナルを覆い隠すことでPER複合体の核への移行を妨げる効果があります。ただし、PER複合体が別の時計タンパク質であるCRY（Cryptochrome）と結合している場合は、CK1εによる細胞質への拘束に打ち勝つことができます。

CK1の活性を調節する化合物は、時間生物学の研究や、同調性が失われた生体リズムの修復に応用できる可能性が探られています。

核-細胞質移行の調節

真核生物のリボソーム60Sサブユニットの合成に必須なeIF6タンパク質の核外輸送には、CK1αまたはCK1δが関与しています。これらのキナーゼによる特定のセリン残基（Ser174とSer175）のリン酸化はeIF6の核外輸送を促進し、一方、ホスファターゼによる脱リン酸化は核への蓄積を促します。また、CK1は転写因子NFATの核-細胞質間の移動にも関連すると考えられています。酵母のCK1ホモログは、NFATに類似したモチーフを持つ転写因子Crz1pをリン酸化することが報告されています。

細胞周期、有糸分裂、DNA修復

CK1δは、細胞周期の間期にはゴルジ体と結合し、膜輸送の調節に関わる可能性が示唆されています。また、CK1δはチューブリンとも相互作用することが知られており、特にDNA損傷を受けた細胞では有糸分裂期に微小管ネットワークの再編成に関与している可能性が示唆されています。CK1δの活性は、有糸分裂やDNA損傷応答においても役割を果たすと考えられています。

疾患との関連性

CK1δとCK1εは、ヒトの疾患との関連が指摘されています。特に、異常な概日リズムに関わる疾患において、CK1の機能異常や遺伝子変異が報告されています。例えば、PER2タンパク質のCK1εによるリン酸化部位の変異や多型は、家族性睡眠相前進症候群（FASPS）や、個人の睡眠パターン（「朝型」か「夜型」か）と関連しています。睡眠相後退症候群の患者では、特定のPER3遺伝子型の保有率が高いことも示されています。

また、ゴールデンハムスターで発見された、概日周期が短い（約22時間）tau変異体は、後にCK1εの遺伝子変異（T178C）に起因することが明らかになりました。この変異はCK1εの機能を亢進させ、PERタンパク質の分解を加速することで、時計機構の周期を短縮させます。tau変異体は、概日リズム研究における重要なモデル動物となっています。CK1δ遺伝子の変異は、家族性片頭痛や睡眠相の前進との関連も報告されており、マウスモデルでも再現されています。

CK1ファミリーは、細胞の恒常性維持から概日リズム、疾患発症まで、極めて広範な生理機能において中心的な役割を果たしていることが、これまでの研究から明らかになっています。今後の研究により、さらに詳細な機能や疾患との関連性が解明され、新たな治療標的としての可能性が探られることが期待されます。

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