サイクリン依存性キナーゼ1

サイクリン依存性キナーゼ1（CDK1）

サイクリン依存性キナーゼ1（cyclin-dependent kinase 1, CDK1）は、セリン/スレオニンキナーゼとして機能する、細胞周期調節において中心的な役割を担うタンパク質です。別名として、cell division cycle protein 2 homolog（cdc2 homolog）とも呼ばれます。その機能と構造は進化の過程で驚くほど保存されており、出芽酵母（Saccharomyces cerevsiae）や分裂酵母（Schizosaccharomyces pombe）、そしてヒトを含む多様な真核生物で研究が進んでいます。酵母ではcdc28またはcdc2遺伝子によって、ヒトではCDC2遺伝子によってCDK1は作られます。CDK1は、特定のタイミングで現れるサイクリンと呼ばれるパートナータンパク質と結合し、複合体を形成します。この複合体が細胞内の様々な標的タンパク質にリン酸基を付加することで、細胞周期を次の段階へと正確に進行させるのです。酵母では75種類以上の標的が見つかっています。

構造

CDK1は、約34 kDaと比較的小さなタンパク質ですが、そのアミノ酸配列は生物種間で非常によく似ており、ヒトのCDK1と酵母のホモログ間では約63%もの一致率があります。さらに興味深いことに、cdc2遺伝子に変異がある酵母にヒトのCDC2遺伝子を導入すると、その変異による異常な表現型が回復するという実験結果も得られています。CDK1の構造は、他の多くのプロテインキナーゼに見られる基本的なモチーフでほぼ構成されています。他のキナーゼと同様に、CDK1は細胞のエネルギー源であるATPが結合するための溝を持っています。基質となるタンパク質はこの溝の入り口付近に結合します。そしてCDK1は、ATPのγ-リン酸と基質のセリンまたはスレオニン残基にあるヒドロキシル基の間で共有結合を作る化学反応を促進します。

CDK1は触媒を行うコア部分に加え、他のサイクリン依存性キナーゼ（CDK）にも共通する活性化ループ（Tループ）を備えています。このTループは、CDK1がサイクリンと結合していない状態では、CDK1の活性部位に基質が結合するのを妨げるように働きます。また、CDK1にはPSTAIREヘリックス（Cヘリックス）という領域があります。サイクリンが結合すると、このヘリックスが移動し、活性部位の構造を再配置することで、CDK1のキナーゼ活性が大幅に高まります。これらの基本的なメカニズムはCDK2など他のCDKとも共通していますが、サイクリンとの具体的な相互作用の仕方はCDKごとに異なっています。

機能

サイクリンと結合して活性化されたCDK1によるリン酸化は、細胞周期を確実に次へと進める原動力となります。特に、出芽酵母S. cerevisiaeにおけるCdk1（Cdc28）の働きは詳細に解析されています。

出芽酵母では、細胞周期が始まる最初のステップは、SBF（SCB-binding factor）とMBF（MCB-binding factor）という二つの調節複合体によって制御されます。これらはG1/S期に関わる遺伝子の転写を司りますが、通常は抑制されています。SBFはWhi5というタンパク質によって阻害されていますが、G1期後期に現れるサイクリンCln3と結合したCdk1（脊椎動物ではサイクリンDに対応）によるリン酸化を受けることで、Whi5は核の外へ運び出されます。これによりSBFによるG1/S期遺伝子の転写が始まり、この遺伝子群には次の段階に必要なG1/S期サイクリンであるCln1とCln2（脊椎動物ではサイクリンEに対応）が含まれています。G1/S期サイクリンと結合したCdk1の働きによって、DNA複製に必要な準備（例：中心体の複製）が進められ、S期サイクリン（Clb5、Clb6、脊椎動物ではサイクリンAに対応）の量が細胞内で増えてきます。S期サイクリンと結合したCdk1複合体は、DNAの複製が始まる起点に直接働きかけますが、時期尚早なS期の開始はSic1という因子によって厳しく抑制されています。

G1/S期またはS期サイクリン-Cdk1複合体の活性が高まることで、Sic1は多箇所でリン酸化されます。このリン酸化が引き金となり、Sic1は素早く分解されることでS期への進行が許可されます。S期でのDNA複製後、細胞は分裂期（M期）へと移行します。M期にはM期サイクリン（Clb1、Clb2、Clb3、Clb4など、脊椎動物ではサイクリンBに対応）が現れ、Cdk1と複合体を形成します。このM期サイクリン-Cdk1複合体によるリン酸化は、染色体を正確に分けるための紡錘体の組み立てや、増幅された姉妹染色分体が互いに分離する過程を引き起こします。さらに、Cdk1はAPCCdc20というユビキチンリガーゼの働きも促します。APCCdc20は染色分体の分離を助けるだけでなく、M期サイクリン自身を分解するようにも働きます。M期サイクリンが分解されることで、有糸分裂の最終段階（例：紡錘体の解体）が進行し、細胞分裂が完了します。

調節

CDK1の活性は複数のメカニズムによって厳密に制御されています。最も重要な制御機構の一つがサイクリンとの結合です。サイクリンが結合することで、CDK1の活性部位へのアクセスが可能になり、キナーゼとして機能できるようになります。さらに、サイクリンはCDK1の働きに特異性を与える役割も果たします。一部のサイクリンには、基質タンパク質と直接結合するための領域があり、これによりCDK1が特定の基質を選んでリン酸化する特異性が生まれます。また、サイクリンはCDK1を細胞内の特定の場所へ誘導する「標的化」の役割も担うことがあります。

サイクリンによる制御に加え、CDK1は自身の特定の部位がリン酸化されることによっても調節を受けます。進化的に保存されているチロシン残基（ヒトではTyr15にあたる位置）のリン酸化は、CDK1の活性を抑制します。このリン酸化によってATPが結合する向きが変わり、効率的なキナーゼ反応が阻害されると考えられています。分裂酵母S. pombeでは、DNA合成が完了していない場合にこのTyr15のリン酸化が維持され、細胞が時期尚早に分裂期へ入ることを防ぐ役割を果たします。このTyr15をリン酸化するのはWee1というキナーゼであり、これに対抗してリン酸基を取り除くのはCdc25ファミリーに属するホスファターゼです。これらの酵素間のバランスが、細胞周期の正確な進行を制御していると考えられています。Wee1の活性自体も、Cdr1、Cdr2、Pom1といったさらに上位の因子によって細かく調節されています。

CDK1-サイクリン複合体は、CDK阻害因子（CKI）と呼ばれるタンパク質が直接結合することによっても働きが調節されます。前述したSic1も、このようなCKIの一種です。Sic1は、S期サイクリンであるClb5やClb6とCdk1の複合体に直接結合し、その活性を抑え込みます。G1/S期サイクリンであるCln1やCln2とCdk1の複合体によるSic1の複数箇所へのリン酸化が、Sic1がユビキチン化されて分解されるタイミング、ひいてはS期が始まるタイミングを決めていると考えられています。Sic1による強力な抑制が取り除かれた後にのみ、Clb5やClb6と結合したCdk1の働きが現れ、S期が開始されるのです。

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