プロテインキナーゼB

プロテインキナーゼB (Akt)

プロテインキナーゼB（Protein Kinase B、略称: PKB）は、別名Aktとしても知られるセリン/スレオニンキナーゼのファミリーです。この酵素群は、細胞の生存、増殖、代謝、細胞死（アポトーシス）、細胞の移動といった、生命維持に不可欠な様々な細胞内プロセスを調節する上で中心的な役割を担っています。

Aktファミリーには、Akt1、Akt2、Akt3という3つの主要なアイソフォーム（分子種）が存在します。それぞれが特定の細胞機能に特化した役割を果たすことが知られています。

Akt1 は、主に細胞の生存経路に関与しており、細胞のプログラム細胞死（アポトーシス）を抑制する働きがあります。また、タンパク質合成経路を活性化する能力を持つため、骨格筋の肥大や一般的な組織の成長を促すシグナル伝達において重要な因子です。Akt1が完全に失われたマウスモデルでは、全身的な成長の遅れが見られるほか、精巣や胸腺といった組織では細胞の自発的なプログラム細胞死が増加することが観察されています。細胞の生存を促進する特性から、Akt1は多くの種類のがんにおいて重要な役割を担っていると考えられています。Akt（当初はAkt1として同定）は、もともと細胞をがん化させる能力を持つレトロウイルスAKT8から発見されたがん遺伝子（oncogene）として初めて特定されました。
Akt2 は、インスリンによって活性化されるシグナル伝達経路において特に重要であり、血糖を取り込むためのグルコース輸送を細胞に誘導する上で不可欠です。Akt1を欠損しているがAkt2が正常に機能するマウスでは、血糖値の調節には影響が見られない一方、Akt1の成長における役割を反映して体が小さくなります。対照的に、Akt2を持たずAkt1が正常なマウスでは、わずかな発育不全と、インスリンが効きにくくなる糖尿病のような症状が現れます。これは、Akt2がインスリンを介したシグナル伝達に対してより特異的な役割を持つという考えを支持します。
Akt3 は、主に脳組織で発現していると考えられていますが、その機能の詳細はまだ完全には解明されていません。Akt3を欠損したマウスでは、脳のサイズが小さくなることが報告されています。

これらのAktアイソフォームは、ヒトの様々ながん組織で過剰に作られていることが確認されており、胃腺がん（Akt1）、卵巣がん（Akt2）、膵がん（Akt2）、乳がん（Akt2）などでは、遺伝子のコピー数が増加していることがゲノム解析によって明らかにされています。

分子メカニズム

Aktの活性は、複雑なシグナル伝達ネットワークによって厳密に制御されています。特に、PI3キナーゼ（Phosphoinositide 3-kinase、PI3K）/Akt/mTOR経路は、細胞の成長、増殖、生存を調節する上で最も重要な経路の一つです。

Aktは、PHドメイン（pleckstrin homology domain）と呼ばれる特定のタンパク質領域を持っています。このPHドメインは、PIP3（ホスファチジルイノシトール-3,4,5-トリスリン酸）やPI(3,4)P2（ホスファチジルイノシトール-3,4-ビスリン酸）といった特定のリン脂質に高い親和性で結合します。これらのリン脂質は、PI3キナーゼ（PI3K）と呼ばれる酵素ファミリーによってのみリン酸化される特殊なリン脂質です。細胞が成長刺激のような外部からの化学信号を受け取った際にPI3Kが活性化され、細胞膜上のPI(4,5)P2（ホスファチジルイノシトール-4,5-二リン酸）がリン酸化されてPIP3が生成されます。このPIP3への結合により、Aktは細胞膜へと正確に配置されます。

膜に移動したAktは、活性化のために特定の部位がリン酸化される必要があります。主に、PDPK1（phosphoinositide dependent kinase 1）によってスレオニン308番残基が、mTORC2（mammalian target of rapamycin complex 2）によってセリン473番残基がリン酸化されることで活性化されます。一般的には、まずmTORC2によるセリン473番のリン酸化が起こり、これがその後のPDPK1によるスレオニン308番のリン酸化を促進すると考えられています。ただし、セリン473番のリン酸化は、インテグリン結合キナーゼ（ILK）やMAPKAK2といった他の酵素によっても行われる可能性があります。

完全に活性化されたAktは、自身のキナーゼ活性を用いてmTORを含む多数の標的タンパク質をリン酸化し、その機能を調節します。

AktはPI3Kの下流で働く主要な分子ですが、PI3Kとは独立した経路でも活性化されることがあります。非受容体型チロシンキナーゼであるACK1（TNK2）は、Aktのチロシン176番残基をリン酸化することで、PI3Kに依存しない活性化を引き起こします。また、インスリンが存在する条件下では、細胞内cAMP量が増加することでプロテインキナーゼA（PKA）を介してAktが活性化される可能性も示唆されています。

Aktの安定性や局在も調節されており、ユビキチン化という修飾プロセスが関与します。通常、Aktは翻訳時にスレオニン450番残基がリン酸化されることで正しく折りたたまれます。このリン酸化が欠損すると、Aktは不適切に折りたたまれ、ユビキチン化されてプロテアソームによって分解されます。さらに、IGF-1（インスリン様成長因子-1）のような刺激に応答してスレオニン308番とセリン473番がリン酸化されたAktの一部は、E3ユビキチンリガーゼであるNEDD4によってユビキチンが付加されます。ユビキチン化されたAktは分解される経路と、ユビキチン依存的に細胞核へ移行し、そこで基質をリン酸化する経路があることが報告されています。がん細胞で見られるAktの変異体（例: E17K）は、野生型よりもユビキチン化とリン酸化を受けやすく、核への移行効率が高いことが示されており、この機構がヒトにおけるE17K変異によるがん発生に寄与している可能性があります。

Aktの活性化は、PTENやSHIPといった脂質ホスファターゼによって負に制御されています。特に、がん抑制遺伝子であるPTENは、PI3Kによって生成されたPIP3を、 Aktが結合しないPI(4,5)P2へと脱リン酸化します。これにより、Aktが細胞膜へ結合するための足場が失われ、その活性化が大幅に抑制されます。SHIPファミリーのイノシトールホスファターゼ（SHIP1, SHIP2）も、PIP3の5位を脱リン酸化することでAktシグナルを調節します。また、PHLPPファミリーのプロテインホスファターゼ（PHLPP1, PHLPP2）はAktを直接脱リン酸化し、不活性化させることが知られています。PHLPP2はAkt1とAkt3を、PHLPP1はAkt2とAkt3を脱リン酸化します。

細胞機能の詳細

Aktは、細胞の生存と代謝において広範な影響を及ぼします。Aktによってリン酸化され、調節される下流の標的分子には、NF-κB、Bcl-2ファミリータンパク質、TFEB、MDM2などがあります。

細胞生存: Aktは、成長因子などの刺激を介した細胞生存を直接的および間接的に促進します。例えば、アポトーシスを促進するBcl-2ファミリータンパク質であるBADの特定のセリン残基をリン酸化することで、BADを不活性化し、細胞死を抑制します。また、IκBキナーゼ（IKK）を活性化することでNF-κB経路を制御し、生存促進に関わる遺伝子の発現を誘導します。
細胞周期: Aktは細胞が増殖する際の周期制御にも関わっています。様々な研究から、Aktの活性化が細胞周期のG1期やG2期での停止を解除し、細胞分裂を進めることが示されています。さらに、Aktの活性化は、DNA損傷などによって潜在的にがん化しうる細胞が生存・増殖することを可能にし、他の遺伝子に変異が蓄積することを助長する可能性も指摘されています。
代謝: 特にAkt2は、インスリン刺激に応答してグルコース輸送体であるGLUT4が細胞膜表面に移動し、血糖を細胞内に取り込むプロセスに不可欠です。また、グリコーゲン合成酵素キナーゼ3（GSK-3）をリン酸化してその活性を阻害することで、グリコーゲン合成を促進します。GSK-3はWntシグナル経路にも関与するため、AktもWnt経路に影響を与える可能性が示唆されています。C型肝炎ウイルス感染によって引き起こされる肝臓の脂肪変性にもAktが関与しているとされますが、そのメカニズムは十分には解明されていません。
リソソーム生合成とオートファジー: Aktは、細胞内の不要な物質を分解するリソソームの形成や、細胞自身の一部を分解するオートファジーといったプロセスにも関与します。Aktは、リソソーム生合成の主要な制御因子であるTFEBの特定のセリン残基を直接リン酸化し、その活性を低下させ、細胞核から細胞質への移行を促します。逆に、薬剤などを用いてAktの活性を阻害すると、TFEBの核への移行が促進され、リソソームの生合成やオートファジーが活性化されることがわかっています。
血管新生: Akt1は、新たな血管が形成されるプロセスである血管新生や、それに伴う腫瘍の成長にも関与します。Akt1を欠損したマウスでは、正常な生理的血管新生が阻害される一方で、皮膚や血管の細胞外マトリックスの異常に関連して、病的な血管新生や腫瘍の成長が促進されるという複雑な結果が報告されています。

臨床的重要性

Aktは、腫瘍細胞の生存、増殖、そして周囲組織への浸潤といった悪性化のプロセスに深く関連しています。ヒトのがんや腫瘍細胞において、Aktの活性化は最も頻繁に観察される分子変化の一つです。特に、Aktが常に高い活性を示している腫瘍細胞は、その生存がAktの機能に強く依存していると考えられています。

このような背景から、Aktとその関連するシグナル伝達経路を詳細に理解することは、がんやその他の関連疾患に対するより効果的な治療法を開発するために極めて重要視されています。AKT1遺伝子のモザイク活性化変異（特にc. 49G>A, p.Glu17Lys）は、皮膚、結合組織、脳などの過剰な成長を特徴とする稀な疾患であるプロテウス症候群との関連が明らかになっています。

Aktの多様な機能、特にがんにおける役割に着目し、Aktの働きを阻害する薬剤がいくつか開発され、神経芽腫を含む様々な種類のがん治療薬候補として臨床試験が行われています。過去にはペリホシンなどが治験に進みましたが、必ずしも期待通りの結果は得られていません。しかし、ミルテホシンはリーシュマニア症の治療薬として承認されているほか、MK-2206やAZD5363、イパタセルチブといった新たなAkt阻害剤が、単独または他剤との併用療法として現在も活発に研究・治験が進められています。

興味深いことに、Aktは単純ヘルペスウイルス（HSV-1, HSV-2）が細胞に侵入する際の「鍵」となる分子としても注目されています。ヘルペスウイルスは細胞に感染する際に細胞内カルシウムの放出を誘導しますが、このプロセスにAktの活性化が関与していると考えられています。ウイルスの曝露前に細胞をAkt阻害剤で処理すると、ウイルスの感染率が有意に低下することが実験で示されています。

一方で、Aktの活性が高いことが病態と関連するケースが多い中で、急性骨髄性白血病（AML）においては逆の現象が見られるという報告もあります。マサチューセッツ総合病院とハーバード大学の研究グループは、AMLにおいてAktの活性が低いレベルにあることと、その下流で働くFOXOという転写因子の活性が高いことが、白血病幹細胞の機能維持と未成熟状態の保持に必要であることを示唆しています。遺伝子のタイプにかかわらず、AML患者の約40%でFOXOが活性化しており、これはAktの活性が低下していることを示唆しています。マウスモデルを用いた実験では、Aktを活性化させるか、またはFOXOファミリー遺伝子（FoxO1/3/4）全てを欠失させると、白血病細胞の成長が抑制されることが確認されています。

また、Aktの過剰な活性化が特定の希少疾患の原因となることも明らかになっています。近年の研究により、Akt1の異常な活性化が若年型顆粒膜細胞腫（juvenile granulosa cell tumor, JGCT）、特に15歳以下の患者に発生するタイプに関与していることが示されています。JGCTの症例のうち60%以上で、Akt1遺伝子のPHドメイン部分に重複が見つかりました。重複がない症例でも、特定の重要なアミノ酸残基に変異が生じていました。これらの変異型Akt1タンパク質は、正常なAkt1とは異なる細胞内分布を示し、細胞膜上に顕著に集積することが確認されています。これによりAkt1の活性が著しく高まっていることが、リン酸化レベルの増加やレポーターアッセイによって裏付けられました。

RNAシークエンス解析により、これらのAkt1変異によって発現が変化する多くの遺伝子が特定され、それらがサイトカイン・ホルモンシグナル伝達や細胞分裂に関連するプロセスに関わっていることが示されました。さらなる解析では、細胞が未分化な状態に戻るような変化（脱分化）が起きている可能性が示唆され、これらの遺伝子発現異常の大部分は、活性化されたAkt1の影響を受ける限られた数の転写因子を介して引き起こされていると考えられています。これらの発見は、AKT1遺伝子の体細胞変異がJGCTの発症を強く引き起こす主要な要因である可能性を示唆しています。

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