BRAF

概要

BRAF（B-Rafとしても知られる）は、ヒトにおいて`BRAF`遺伝子によって作られるタンパク質です。その名前は「v-raf murine sarcoma viral oncogene homolog B」の略称に由来します。このタンパク質は、細胞が成長するための指示に関わる細胞内の重要な情報伝達経路に関与しています。2002年には、ヒトの複数のがんでBRAFに変異が見られることが報告されました。また、遺伝性のBRAF変異は、生まれつきの疾患（先天性欠陥）を引き起こすこともあります。変異したBRAFによって引き起こされるがんに対して、特異的な治療薬の開発が進んでいます。ベムラフェニブやダブラフェニブといった薬剤は、進行したメラノーマの治療薬として米国FDAの承認を得ており、特にベムラフェニブは、フラグメント創薬という手法から初めて承認された医薬品としても注目されています。

機能

B-Rafは、セリン/スレオニンキナーゼとして知られるRAFキナーゼファミリーの一員です。このタンパク質は、MAPK/ERK経路という細胞内の主要な情報伝達経路の調節に深く関わっています。この経路は、細胞の分裂、特定の細胞への分化、そして細胞からの物質の分泌といった、生命活動に不可欠な多様なプロセスに影響を与えます。

構造

B-Rafは、766個のアミノ酸から構成されるセリン/スレオニンキナーゼです。RAFキナーゼファミリーに共通する3つの保存された領域（ドメイン）を持っています。CR1（conserved region 1）は、GTP結合型のRas（Ras-GTP）と結合することで酵素自身の活性を調節するドメインであり、CR2はセリンやスレオニンを豊富に含みます。CR3は、タンパク質をリン酸化する触媒活性を持つプロテインキナーゼドメインであり、標的となるタンパク質中の特定の配列を認識して作用します。B-Rafが活性を持つ形になるとき、キナーゼドメイン同士が水素結合や静電的な力によって結びつき、二量体を形成することが知られています。

ドメインの詳細

CR1: B-Rafのキナーゼドメイン（CR3）の活性を自己的に抑制する役割を持ち、細胞内シグナルが常にオンになるのではなく、適切に調節されるようにしています。155番目から227番目のアミノ酸はRas結合ドメイン（RBD）を形成し、Ras-GTPの特定の部分と結合することで、CR1をCR3から離れさせ、キナーゼの抑制を解除します。234番目から280番目のアミノ酸からなる領域は、ホルボールエステルやジアシルグリセロールと結合するジンクフィンガーモチーフを含み、Ras結合後のB-Rafが細胞膜に結合する際に重要です。
CR2: セリンとスレオニン残基が多く存在する領域です。
CR3: 457番目から717番目のアミノ酸から構成される、B-Rafのキナーゼ活性の中心となるドメインです。この領域は、主にATPを結合する小さなNローブ（457-530番目）と、基質タンパク質を結合する大きなCローブ（535-717番目）の二つの部分から成り、短いヒンジ領域で連結されています。酵素の活性部位は、これら二つのローブの間にある溝に存在します。触媒作用を担うアスパラギン酸残基（Asp576）はCローブに位置し、活性部位の溝に面しています。

CR3ドメイン内の機能モチーフ

Pループ: B-RafのPループ（464-471番目）は、ATPが結合する際に、反応に関わらないリン酸基を安定させます。特に、S467、F468、G469のアミド基がATPのβ-リン酸と水素結合することでATP分子を固定します。
ヌクレオチド結合ポケット: V471、C532、W531、T529、L514、A481などが形成する疎水性の空間は、ATP結合時にアデニン部分をファンデルワールス力で固定します。
触媒ループ: 574番目から581番目のアミノ酸からなる領域で、ATPから基質タンパク質へのリン酸基の移動を助けます。特にD576は、基質のセリンまたはスレオニン残基のヒドロキシル基からプロトンを受け取り、リン酸化反応に必要な求核性を高める働きをします。
DFGモチーフ: D594、F595、G596からなるモチーフは、B-Rafの不活性状態と活性化状態の両方で中心的な役割を果たします。不活性な状態では、F595がヌクレオチド結合ポケットを塞ぎ、ATPの結合を妨げて酵素活性を抑制します。活性化状態では、D594がマグネシウムイオンを捕捉し、ATPのリン酸基を安定化させ、リン酸の転移に適した向きに配置します。
活性化ループ: 596番目から600番目のアミノ酸からなるこのループは、不活性状態ではPループと強く結合しており、リン酸化されるまでキナーゼを不活性に保ちます。活性化ループがリン酸化されて負電荷が生じると、この相互作用が不安定になり、キナーゼは活性化された構造へと変化します。

酵素反応

B-Rafは、標的タンパク質のセリンやスレオニン残基にATPからリン酸基を転移させる反応を触媒するプロテインキナーゼです。この反応によりADPとリン酸化されたタンパク質が生成します。B-Rafは厳密に調節されており、酵素として働くためにはまずRas-GTPと結合して活性化される必要があります。活性化されると、酵素の触媒部位は、基質のヒドロキシル酸素原子によるATPのγ-リン酸基への求核攻撃を促進し、タンパク質をリン酸化します。この反応はSN2反応の機構で進行します。

活性化機構

B-Rafの活性化は、CR1ドメインによる自己阻害の解除と、CR3ドメインの活性化という二段階で進行します。まず、自己阻害を行っているCR1ドメインにRas-GTPが結合すると、CR1ドメインはCR3ドメインから遊離します。B-Rafの場合、CR2領域のS445が常にリン酸化されていることが、CR1の遊離を促進する要因となります。CR1が外れると、CR3ドメインがタンパク質リン酸化の準備を整えます。

CR3ドメインが触媒活性を持つためには、ATPが結合しやすい活性化された立体構造に変化する必要があります。不活性な状態では、DFGモチーフのF595がATP結合部位を遮り、活性化ループがPループと結合してATPへのアクセスを妨げています。活性化ループがリン酸化されると、負電荷によってコンフォメーションが変化し、ATP結合部位が開きます。この変化に伴いDFGモチーフも移動し、ATPが結合できるようになります。こうして活性部位が解放されることで、B-Rafのキナーゼ活性が発現します。

臨床的意義と変異

`BRAF`遺伝子の変異は、遺伝性と後天性の両方で疾患の原因となります。遺伝性の変異は、心臓の異常、知的障害、特徴的な顔つきを伴うCFC症候群などの先天性疾患を引き起こすことがあります。一方、後天的に生じる変異は、非ホジキンリンパ腫、大腸がん、メラノーマ、甲状腺がん、肺がん、脳腫瘍、炎症性疾患など、様々な種類のがんや疾患に関連しています。

特に、`BRAF`遺伝子の1799番目のヌクレオチドが変異し、タンパク質の600番目のバリン（V）がグルタミン酸（E）に置き換わる「V600E変異」は、がんにおいて最も頻繁に見られます。この変異はBRAFを常に活性化された状態にするため、細胞の異常な増殖を引き起こします。V600E変異は、メラノーマで8割以上の患者に見られるほか、甲状腺乳頭がん、大腸がん、肺がん、有毛細胞白血病（ほぼ全例）、一部の脳腫瘍など、幅広い種類のがんで検出されています。この変異の検出は、一部の白血病の診断や、遺伝性疾患であるリンチ症候群のスクリーニングにも応用が検討されています。V600E以外の変異も複数見つかっており、これらも主にPループや活性化ループ周辺に集中し、BRAFの活性化を引き起こすことで疾患に関与しています。

BRAF阻害薬

BRAFの変異ががんの重要な原因であることが明らかになったため、変異型BRAFを標的とした阻害薬の開発が進んでいます。ベムラフェニブは、BRAFのV600変異を持つ進行期メラノーマに対して2011年に承認されました。臨床試験では、従来の化学療法薬と比較して生存率と治療効果（奏効率53%）が大幅に改善されました。しかし、治療を受けた患者の一部では、腫瘍が薬剤に対する抵抗性を獲得することが課題となっています。抵抗性のメカニズムは研究が進められていますが、BRAFの過剰発現や他のシグナル経路の活性化などが考えられています。

ソラフェニブは、別のタイプのBRAF阻害薬で、V600E変異型BRAFとc-Rafの両方を阻害します。この薬剤は、BRAFを不活性な構造に固定することでその働きを止めます。具体的には、キナーゼドメインのATP結合部位に結合し、活性化に必要な構造変化を物理的に妨げます。ソラフェニブは、原発性肝臓がんや腎臓がんの治療に用いられています。

対照的に、ベムラフェニブはBRAFが活性化された「DFG-in」構造のATP結合部位に選択的に結合して阻害します。これにより、通常、調節が外れてがん化している細胞のBRAF活性のみを選択的に抑制することが可能です。これらの薬剤は、BRAF変異を持つがん治療において重要な選択肢となっています。

相互作用

BRAFは、以下のようなタンパク質と相互作用することが報告されています。

AKT1
c-Raf
HRAS
YWHAB

BRAFの研究は、がんをはじめとする様々な疾患のメカニズム解明と、それに対する新たな治療法の開発に貢献し続けています。

もう一度検索