プロテインキナーゼA

プロテインキナーゼA (PKA)

プロテインキナーゼA（PKA）は、細胞内のセカンドメッセンジャーである環状アデノシン一リン酸（cAMP）の濃度変化に依存して活性が調節される酵素群です。別名としてcAMP依存性プロテインキナーゼとも呼ばれています。グリコーゲンや糖、脂質の代謝調節をはじめ、細胞内外からの様々なシグナルに応答する重要な役割を担っています。

背景と発見

PKAは、化学者のエドモンド・フィッシャーとエドヴィン・クレープスによって1968年に初めて同定されました。彼らは、PKAの酵素活性がリン酸化と脱リン酸化によって精密に制御されるメカニズムを明らかにし、その業績は1992年のノーベル生理学・医学賞として高く評価されました。

PKAは、ヒトの細胞に存在する約540種類のプロテインキナーゼの中でも特に研究が進んでいる酵素の一つです。そのユニークな構造、すなわち四量体の複合体を形成する性質が、幅広い研究関心を集める要因となっています。哺乳類では、触媒機能を持つCサブユニットに4種類（Cα, Cβ, Cγなど）、調節機能を持つRサブユニットに4種類（RIα, RIβ, RIIα, RIIβなど）の遺伝子が同定されており、これらの組み合わせによって多様なPKAアイソフォームが存在します。1991年には、Susan Taylorらの研究グループがPKAのCαサブユニットの立体構造をX線結晶構造解析によって初めて解明しました。この構造解析は、プロテインキナーゼの基本的な構造と活性部位の理解に画期的な進歩をもたらし、他の多くのキナーゼ研究の基盤となりました。

構造

PKAは通常、2つの調節（R）サブユニットと2つの触媒（C）サブユニットからなる四量体複合体、すなわちホロ酵素として細胞質に存在します。しかし、特定の細胞内構造へ局在する際には、さらに複雑な高次構造を形成することもあります。

触媒サブユニット (C subunit): 酵素の活性部位を持ち、ATPから基質タンパク質へのリン酸基転移反応を触媒します。ATP結合部位や、調節サブユニットと結合するためのドメインを含んでいます。
調節サブユニット (R subunit): cAMP結合ドメインを持ち、cAMPが結合していない状態では触媒サブユニットの活性部位を覆い、酵素活性を阻害しています。触媒サブユニットとの結合ドメインや、自己阻害ドメインも含まれます。主要なタイプとしてRI型とRII型が存在します。これらのサブユニットは、複数の遺伝子によってコードされており、組み合わせによってPKAホロ酵素の性質が異なります。

機構

活性化

PKAは「cAMP依存性」という名の通り、細胞内のcAMP濃度の上昇によって活性化されます。伝統的なモデルでは、cAMP濃度が上昇すると、各調節サブユニットに2分子ずつ、合計4分子のcAMPが結合します。これにより調節サブユニットの立体構造が変化し、触媒サブユニットとの結合が弱まって解離し、活性化された触媒サブユニットが遊離するという機構が提唱されていました。遊離した触媒サブユニットは、様々な基質タンパク質の特定のアミノ酸（セリンまたはスレオニン）をリン酸化することで、その機能や活性を変化させます。

近年では、Aキナーゼアンカータンパク質（AKAP）のような調節タンパク質と結合したPKA複合体においては、生理的なcAMP濃度下では必ずしも触媒サブユニットが完全に解離するわけではなく、局所的な構造変化によってPKAが活性化されるメカニズムも示唆されています。

cAMP濃度の上昇は、細胞外のシグナル（例: アドレナリン、グルカゴン）によって引き起こされることが一般的です。これらのホルモンが標的細胞のGタンパク質共役受容体（GPCR）に結合すると、シグナル伝達カスケードが開始します。活性化されたGPCRは共役するGタンパク質を活性化し、そのGsサブユニットがアデニル酸シクラーゼという酵素を刺激します。アデニル酸シクラーゼはATPからcAMPを合成するため、細胞内のcAMP濃度が上昇します。このcAMPの上昇がPKAの活性化へとつながるのです。

活性化されたPKAは、Arg-Arg-X-Ser/Thr（Xは任意のアミノ酸）という共通のリン酸化認識モチーフを持つ多様なタンパク質を標的とします。PKA自身の活性も、熱安定性のあるペプチド性阻害剤であるPKI（Protein Kinase Inhibitor）などによってさらに調節されています。

触媒作用

遊離した触媒サブユニットは、ATP分子の末端（γ位）にあるリン酸基を、基質タンパク質のセリンまたはスレオニン残基のヒドロキシル基に転移させる反応を触媒します。このリン酸化は、通常、基質の活性を変化させます。PKAは細胞内の様々な場所に存在し、数多くの異なる基質に作用することで、多岐にわたる生理機能に関与しています。

PKAによる効果は、直接的な基質タンパク質のリン酸化による迅速な応答と、転写因子（例: CREB）の活性化を介した遺伝子発現調節による比較的ゆっくりとした、しかし持続的な応答の二通りが知られています。

リン酸化反応は、基質、ATP、そしてマグネシウムイオンがPKA触媒サブユニットの活性部位に精密に配置されて進行します。特定の保存アミノ酸残基（例: Glu91, Lys72, Asp184など）が、ATPの配置やリン酸基転移反応を効果的に補助する役割を果たします。PKAの触媒ドメイン構造と機能に関する知見は、他の多くのプロテインキナーゼの作用機構を理解する上でのモデルとなっています。

不活性化

PKAの活性はいくつかのメカニズムによって終結または抑制されます。一つの主要なメカニズムはフィードバック制御です。PKAによって活性化されるホスホジエステラーゼ（PDE）は、cAMPを加水分解してAMPに変えることで細胞内のcAMP濃度を低下させ、結果的にPKAの活性を低下させます。また、PKA触媒サブユニット自体も、自己リン酸化や他のキナーゼ（例: PDK1）によるリン酸化によって、その活性が調節されています。

細胞内局在化

PKAの調節サブユニットの二量体構造は、酵素を細胞内の特定の場所に誘導する上で重要です。調節サブユニット上のD/Dドメインは、Aキナーゼアンカータンパク質（AKAP）のAKBドメインと結合します。AKAPはPKAを細胞膜、ミトコンドリア、核など、様々な細胞内コンパートメントへ固定する役割を担います。

AKAPはPKAだけでなく、他のシグナル伝達分子（例: ホスホジエステラーゼ、プロテインホスファターゼ）も同時に結合できることが多く、特定の細胞内領域におけるシグナル伝達のカスケードを効率的に行うためのハブ構造を形成します。これにより、PKAの活性が局所的に制御され、 precise なシグナル伝達が可能となります。

機能

PKAは、特定のリン酸化認識モチーフ（Arg-Arg-X-Ser/Thr）を持つ多種多様なタンパク質をリン酸化し、標的タンパク質の活性を促進または抑制します。PKAによってリン酸化されるタンパク質は細胞種によって異なり、その結果、PKA活性化の生理的影響も細胞種ごとに大きく異なります。

脂肪細胞と肝細胞

アドレナリンやグルカゴンなどのホルモンは、GPCRとアデニル酸シクラーゼを介してcAMP濃度とPKA活性を上昇させます。PKAは、アセチルCoAカルボキシラーゼなど、脂肪酸合成や糖新生に関わる主要な代謝酵素をリン酸化します。脂肪酸合成酵素のリン酸化は一般的にその活性を抑制し、糖新生関連酵素のリン酸化は活性を促進する傾向があります。これにより、脂肪分解や糖新生が促進され、脂質合成が抑制されます。インスリンはPKAとは逆に働き、これらの酵素の脱リン酸化を介して脂質合成を促進します。

側坐核の神経細胞

PKAは、脳の報酬系や動機づけに関わる領域である側坐核におけるドーパミンシグナルの伝達に重要な役割を果たします。側坐核の神経活動は、食事、性的行動、嗜好品などの報酬認識に深く関与しています。マウスを用いた研究では、遺伝的にcAMP-PKAシグナル伝達が低下した個体ではアルコール摂取量が減少し、鎮静作用に対する感受性が高まることが報告されており、行動へのPKAの関与が示唆されています。

骨格筋

骨格筋細胞では、PKAはAKAPの一種であるmAKAPなどによって筋小胞体上のリアノジン受容体（カルシウム放出チャネル）と共局在しています。この共局在により、PKAによるリアノジン受容体のリン酸化が促進され、筋収縮に必要な細胞質へのカルシウムイオン放出が増加します。

心筋

心筋細胞では、ノルアドレナリンなどのカテコールアミンがβ1アドレナリン受容体を介してPKAを活性化します。活性化されたPKAは、L型カルシウムチャネル、ホスホランバン、トロポニンI、心筋ミオシン結合タンパク質Cなど、多数の標的をリン酸化します。これにより、心筋の収縮力（変力作用）と弛緩速度（変弛緩作用）が増大し、心拍出量の調節に寄与します。

記憶形成

PKAは記憶の形成過程においても重要な役割を担っていると考えられています。ハエを用いた遺伝学的研究では、PKA触媒サブユニットをコードする遺伝子の発現低下が、短期記憶や中期記憶の著しい障害を引き起こすことが示されています。また、長期記憶の形成には、PKAによって活性化される転写因子CREBが深く関与しています。PKA活性レベルは記憶能力に非常に敏感であり、活性の低下や過剰な活性化はいずれも記憶障害を引き起こす可能性が示されています。

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