ポロ様キナーゼ

ポロ様キナーゼ (Polo-like kinase, Plk) とは

ポロ様キナーゼ（Plk）は、細胞周期の進行を厳密に制御するセリン/スレオニンキナーゼの重要なファミリーです。これらの酵素は、細胞が正確に分裂し、適切に増殖するために不可欠な役割を果たしています。Plkは特に、細胞周期の主要なイベントである有糸分裂、細胞質分裂、そして減数分裂に関与し、染色体の正確な分配や細胞の物理的な分離といった複雑な過程を調整します。

生物種によってPlkファミリーの構成は異なります。ショウジョウバエ（Polo）、出芽酵母（Cdc5）、分裂酵母（Plo1）のような単純な生物では、通常1種類のPlk遺伝子のみがコードされています。これに対し、脊椎動物ではPlk1、Plk2/Snk、Plk3/Prk/FnK、Plk4/Sak、Plk5など、複数のファミリーメンバーが存在し、それぞれが特定の機能や細胞内での役割を担っています。これらのメンバーの中でも、哺乳類におけるPlk1は最も広範に研究されており、細胞周期制御における中心的な役割が明らかになっています。

Plkは、有糸分裂や細胞質分裂の様々な段階において、細胞内の特定の構造体に一時的に局在します。これには、中心体、染色体の動原体（キネトコア）、そして細胞分裂後期に形成される中央紡錘体などが含まれます。

構造的特徴

Plkタンパク質は、機能的に異なる複数の領域から構成されています。そのN末端側には、基質タンパク質をリン酸化する触媒活性を持つセリン/スレオニンキナーゼドメインが位置しています。一方、C末端側には、酵素活性や細胞内局在を制御するための調節ドメインが存在します。この調節ドメインには、特徴的な構造モチーフであるポロボックスドメイン（PBD）が通常2つ含まれています。

PBDはPlkの機能において極めて重要な役割を果たします。第一に、PBDはPlkがどのタンパク質を基質としてリン酸化するかという基質特異性を決定するのを助けます。第二に、有糸分裂期において、PBDはPlkを細胞内の特定の分裂期構造体へと正確に誘導し、局在させる働きを担います。具体的には、分裂初期の中心体、後期の中央紡錘体、そして細胞質分裂時の中央体といった場所へのPlkの局在は、PBDによって制御されています。

活性の調節機構

Plkの活性は、細胞周期の進行に応じて厳密に制御されています。この制御は、タンパク質の合成や分解のレベルだけでなく、上流からのリン酸化シグナルや、特定の細胞内構造体への正確な局在によっても行われます。

Plkの触媒活性は、キナーゼドメイン内の「Tループ（活性化ループ）」と呼ばれる短い領域のリン酸化によって活性化されます。このループ内には複数のセリンまたはスレオニン残基があり、これらのリン酸化状態がPlkの活性を左右します。これまでの研究から、Plkk1やプロテインキナーゼA（PKA）といった上流のキナーゼが、試験管内（in vitro）でPlk1をリン酸化し活性化させることが示されています。

前述のPBDは、リン酸化されたアミノ酸配列を認識して結合するモチーフとして機能します。この性質は、Plkが特定の基質タンパク質を認識したり、細胞内の特定の場所に局在したりする上で重要です。PBDが高い親和性で結合するのは、特定のセリンやスレオニン残基が既にリン酸化されているタンパク質です。これは、Plk自身、あるいはCdk1のような他のキナーゼによって、基質が事前にリン酸化されること（プライミング）が、PBDによる結合や基質認識に必要であることを示唆しています。しかし、リン酸化に依存しない構造的な特徴も結合に関与する可能性も指摘されています。

Plkは、有糸分裂の終結時に役割を終えると、速やかに分解されます。この分解は、ユビキチンリガーゼである後期促進複合体（APC）によってユビキチン化され、その後のユビキチン-プロテアソーム経路によって実行されます。

有糸分裂における機能

Plkは、サイクリン依存性キナーゼ（Cdk）と密接に協調しながら、細胞分裂のプロセスを組織化する上で中心的な役割を果たしています。特に、細胞周期がG2期からM期へと移行する際の制御に不可欠です。このM期移行は、Cdk1-サイクリンB複合体の活性化によって引き起こされますが、Plkはこの過程に関与します。

Cdc25は、Cdk1を脱リン酸化することで活性化し、有糸分裂の開始を促進する重要なホスファターゼです。Plk1は、PBDを介してリン酸化されたCdc25に結合し、さらにCdc25自身をリン酸化することによって、間接的にCdk1の活性を調節します。ヒト細胞では、Cdc25の特定部位（Ser198）のリン酸化が、その細胞核外搬出シグナルを抑制し、Cdc25の核内蓄積を促進することが知られています。これは、Plk1によるCdc25の制御が、核内でのCdk1活性化に寄与することを示唆しています。

また、Plk1は紡錘体極の形成にも不可欠な要素です。Plk1が存在しない場合、γ-チューブリンのような一部の重要なタンパク質が中心体へと適切にリクルートされず、紡錘体極の成熟が妨げられます。微小管の形成やダイナミクスに関わるいくつかのタンパク質も、Plk1の基質である可能性や結合パートナーである可能性が示されています。これらには、微小管を切断するカタニン、微小管を安定化させるTCTP、微小管を不安定化させるスタスミンなどがあります。

さらに、Plkは染色体の正確な分離と有糸分裂の終結にも深く関与しています。PlkはCdk1と共に、APCの複数のサブユニットを制御することが知られています。ヒトのPLK1は、APCの主要な阻害因子であるEMI1をリン酸化することで、APCの活性化を調節します。Plkの機能が損なわれると、多くの場合、後期への正常な移行が阻害されることから、PlkがAPC活性の制御に重要な役割を果たしていることが示唆されます。Plk1は有糸分裂中にキネトコアにも結合します。

Plkが適切に機能しない場合、染色体が両極に正しく結合した二極性の紡錘体が形成されません。これにより、紡錘体チェックポイントと呼ばれる監視機構が活性化され、細胞周期は中期から後期への移行を停止させ、前中期で細胞が停止します。Plk1は、この阻害的なチェックポイントシグナルを解除する緩和機構においても重要な役割を担っている可能性があります。この場合、Plk1は全ての染色体が適切に紡錘体に接着した際に、細胞周期が後期へと進行するのを助けると考えられます。

減数分裂における機能

ショウジョウバエや酵母を用いたモデル生物の研究から、Plkが減数分裂時における、より複雑な染色体分離のパターンを調整していることが明らかになっています。出芽酵母のPlkであるCdc5は、減数第一分裂において、染色体の腕からのコヒーシンの除去、相同染色体の適切な配向、そして乗換え構造（キアズマ）の解消といった過程に不可欠です。

Cdc5は分裂期のコヒーシンを直接リン酸化することで、染色体腕からのコヒーシンの解離を促進し、組換え構造の解消を可能にします。ただし、このコヒーシン除去は、減数第一分裂期においてセントロメア領域で維持されるコヒーシンには影響しません。また、一部のcdc5変異体酵母では、減数第一分裂期に姉妹キネトコアが一極性（片方の極のみに向かう）に接着してしまう現象が見られます。これは、モノポリンと呼ばれるタンパク質複合体がキネトコアに正常に局在できなくなるためであり、Cdc5がモノポリンの局在にも関与していることを示唆しています。

細胞質分裂における機能

Plkが細胞質分裂の過程に関与していることは、分裂酵母を用いた研究で最初に報告されました。分裂酵母のPlkであるPlo1を過剰に発現させると、細胞周期のどの段階であっても隔壁の形成が誘導されます。逆に、Plo1が機能しないplo1変異体では、隔壁形成が全く起こりません。

細胞質分裂においては、収縮環が形成される場所を決定するMid1というタンパク質が存在します。Mid1はPlkによるリン酸化を受けることで、核から細胞質へと移動することが示されており、Plkが収縮環形成部位の決定に関与していると考えられます。

哺乳類のPlk1の細胞質分裂における役割に関する近年の研究からは、キネシン関連モータータンパク質であるMKLP2や、ダイニンの一部を構成するNUDCが、Plk1の潜在的な基質として同定されています。これらのタンパク質はPBDを介してPlk1と相互作用し、いずれもモータータンパク質としての活性を持ち、中央紡錘体に局在しています。さらに、PLK1は中央紡錘体のセントラルスピンドリン複合体の一部であるCYK4をリン酸化することが明らかになっています。このリン酸化は、Rhoのグアニンヌクレオチド交換因子（GEF）であるECT2を中央紡錘体にリクルートし、低分子量Gタンパク質であるRhoAを活性化させます。活性化されたRhoAは、最終的にアクトミオシン収縮環の形成と収縮を促進し、細胞の物理的な分離を駆動します。

出典：input情報に基づく再構成
関連項目：PLK1

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