サイクリン依存性キナーゼ2

サイクリン依存性キナーゼ2 (CDK2)

サイクリン依存性キナーゼ2（Cyclin-dependent kinase 2、略称: CDK2）は、細胞周期の制御において中心的な役割を担うセリン/スレオニンキナーゼファミリーに属する酵素です。ヒトにおいてはCDK2遺伝子によってコードされており、ヒトのCDK1や、出芽酵母のcdc28、分裂酵母のcdc2など、他の生物における類似機能を持つタンパク質ときわめて高い相同性を示します。

CDK2は、サイクリンと呼ばれるタンパク質と結合して複合体を形成し、その複合体が触媒サブユニットとして機能します。この活性は細胞周期のごく特定の時期、主にG1期からS期にかけてに限定されています。この期間中、細胞はDNA複製やその後の有糸分裂に必要な多様なタンパク質を合成する準備を行います。CDK2は特にサイクリンEやサイクリンAといった調節サブユニットと結合し、これらのサイクリンによってその活性が厳密に制御されます。サイクリンEとの結合は、細胞がG1期から次のDNA合成期であるS期へ移行するために不可欠とされています。一方、サイクリンAとの結合は、S期全体を通じて細胞周期を進行させる上で重要な役割を果たします。また、CDK2の活性は、タンパク質のリン酸化によっても細かく調節されています。さらに、この遺伝子からは複数の異なるスプライスバリアントや、複数の転写開始点が存在することも報告されています。

近年、CDK2を欠失した細胞でもG1期からS期への移行が可能であるという報告があり、正常な体細胞におけるCDK2の必要性については再評価が進んでいます。培養細胞を用いた初期の研究では、CDK2の働きを阻害すると細胞周期がG1/S期で停止することが示されていました。しかし、その後のマウス胚線維芽細胞を用いた実験では、CDK2が存在しない場合でもG1期はわずかに延長するものの、最終的にはS期へ進行し、残りの細胞周期も完了できることが明らかになりました。CDK2遺伝子を欠損させたノックアウトマウスは生存が可能でしたが、体のサイズは小さくなる傾向が見られました。特に注目すべき点は、オス、メス双方において減数分裂が正常に行われず、不妊となったことです。これらの結果は、CDK2が健康な体細胞の増殖には必須ではないものの、減数分裂や生殖機能には不可欠であることを強く示唆しています。CDK2ノックアウトマウスの細胞は分裂回数が制限されるため、体のサイズが小さくなると考えられています。また、生殖細胞が減数分裂の特定の段階で進行を停止するため、不妊に至ると考えられます。現在では、減数分裂機能を除けば、CDK2の欠失による多くの影響は、類縁のCDK1によって補償されている可能性が示唆されています。

CDK2が活性化される過程は、その立体構造と密接に関連しています。CDK2はN末端側とC末端側の二つの主要な領域（ローブ）から構成されており、Nローブには多くのβシート、Cローブにはαヘリックスが多く含まれます。CDK2はサイクリンA、B、E、そしておそらくサイクリンCを含む様々なサイクリンと結合できますが、最近の研究ではCDK2はサイクリンAおよびEに、CDK1はサイクリンAおよびBに優先的に結合することが示唆されています。

CDK2は、NローブとCローブの間に位置する活性部位にサイクリンが結合することで活性状態へと構造変化します。この活性化の過程では、CDK2側の重要なαヘリックスであるCヘリックスまたはPSTAIREヘリックスが、サイクリンとの疎水的な相互作用を受けて回転し、Nローブのコア部分に近づくことで、特定のグルタミン酸残基とリジン残基の間にイオン対が形成されます。また、この立体構造の変化によって、活性化ループ（Tループ）と呼ばれる領域が触媒部位からCローブ側へと移動し、アデノシン三リン酸（ATP）が結合する部位が露出します。活性化ループが移動した後、その中のスレオニン残基がリン酸化されることで、酵素の最終的な活性コンフォメーションが安定化されます。この一連の活性化過程において、CDK2に結合したサイクリン側の構造に大きな変化は起こりません。

細胞分裂が適切に行われるためには、細胞単独のレベルだけでなく、組織全体での精密な制御が不可欠です。細胞内では、様々なタンパク質とDNAの複雑な相互作用により、ゲノムDNAが正確に二つの娘細胞へと分配されます。細胞外では、細胞と細胞外基質タンパク質との相互作用を通じて、新しい細胞が既存の組織構造に組み込まれます。細胞レベルの分裂過程は、主にサイクリン依存性キナーゼ（CDK）とサイクリンによって制御されており、細胞はDNA損傷などの問題が修復されるまで細胞周期の進行を一時停止させるための様々なチェックポイント機構を備えています。

CDK2は細胞周期のG1期からS期にかけて活性を持ち、特にG1/S期のチェックポイント制御において重要な役割を担います。G1期に入る前に、CDK4およびCDK6のレベルがサイクリンDと共に上昇し、これによりG1期の初期にRbタンパク質が部分的にリン酸化され、転写因子E2Fによる遺伝子発現の抑制が部分的に解除されます。その結果、サイクリンEの合成が促進され、CDK2の活性が上昇します。G1期の終盤には、サイクリンE-CDK2複合体の活性がピークに達し、S期開始の主要な推進力となります。G1期からS期への移行時に、Rbタンパク質とp27タンパク質はサイクリンAまたはサイクリンEと結合したCDK2複合体によってリン酸化され、完全に不活性化されます。これに伴い、E2FがS期への移行を促進する多数の遺伝子の発現を誘導します。さらに、サイクリンE-CDK2複合体は、ヒストン遺伝子の転写活性化因子であるNPATをリン酸化し、これによりクロマチン構造の主要成分であるヒストンの合成が増加し、S期に実行されるDNA複製をサポートします。S期が終了すると、サイクリンEはユビキチン・プロテアソームシステムによって分解され、その活性は低下します。

CDK2は正常な細胞の分裂・増殖に必須の要素ではないことが示されていますが、がん細胞の制御不能な増殖においては重要な役割を果たしていることが明らかになっています。CDK2の主要な結合パートナーの一つであるサイクリンEは、CCNE1遺伝子によって産生されます。多くの腫瘍細胞ではCCNE1遺伝子が過剰に発現しており、これらの細胞の生存はCDK2とサイクリンEの活性に強く依存しています。乳がん、肺がん、大腸がん、胃がん、骨肉腫、白血病、リンパ腫など、様々なタイプのがんにおいてサイクリンEの異常な活性が観察されています。同様に、サイクリンA2の異常な発現も染色体の不安定性や腫瘍の増殖と関連しており、その活性を抑えることで腫瘍の成長を抑制できることが示されています。これらのことから、CDK2およびそのパートナーであるサイクリンは、新たながん治療薬の有望な分子標的となり得ます。前臨床モデルを用いた研究では、CDK2を標的とした治療アプローチが腫瘍成長を抑制する上で予備的な成功を示しており、既存の化学療法薬に比べて副作用を軽減できる可能性も示唆されています。

CDK2に特異的に作用する阻害薬を開発することは、他のCDK、特に細胞周期全体に必須であるCDK1の活性部位とCDK2の活性部位が極めて類似しているため困難を伴います。CDK1の働きを意図せず阻害してしまうと、重篤な副作用が発生するリスクがあります。現在開発されているCDK2阻害薬候補の多くは、ATPが結合する部位を標的としており、主にタイプIとタイプIIの二つのクラスに分類されます。タイプI阻害薬はATP結合部位に競合的に作用します。一方、タイプII阻害薬は、サイクリンが結合していない状態のCDK2を標的とし、ATP結合部位またはキナーゼ内部の別の疎水性ポケットに結合します。タイプII阻害薬は、タイプIよりも高い選択性を示すと考えられています。近年、CDKの新たな立体構造情報が明らかになり、Cヘリックスの近傍にアロステリック結合部位が存在する可能性が示唆されました。このアロステリック部位を標的とする阻害薬はタイプIIIに分類されます。その他にも、CDK2のTループと呼ばれる領域も標的候補として考えられています。サイクリンAがCDK2に結合すると、Nローブが回転し、ATP結合部位が活性化されるとともに、活性化ループであるTループの位置が変化します。

既知のCDK2の活性を抑える因子としては、p21Cip1（CDKN1A）やp27Kip1（CDKN1B）といった生理的な阻害タンパク質があります。また、植物由来の化合物であるロスマリン酸メチルは、CDK2を阻害する作用を持ち、マウスを用いた再狭窄モデル実験において、血管平滑筋細胞の異常増殖を抑制し、血管壁の肥厚（内膜新生）を軽減することが報告されています。

遺伝子発現の調節に関しては、メラニン産生細胞であるメラニン細胞において、CDK2遺伝子の発現が小眼球症関連転写因子（MITF）によって制御されていることが示されています。

CDK2は、複数の細胞内因子と相互作用することが示されています。

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