INK4

INK4ファミリーとは



INK4（inhibitors of CDK4）は、細胞周期の進行を制御する重要な一群のタンパク質であり、サイクリン依存性キナーゼ阻害因子（CKI）ファミリーに属します。このファミリーには、p16INK4a、p15INK4b、p18INK4c、p19INK4dといったメンバーが含まれ、特にCDK4とCDK6という特定のキナーゼの活動を抑制する働きがあります。CKIファミリーにはINK4の他にCIP/KIPと呼ばれるグループもあり、こちらはより広範な種類のCDKを阻害する能力を持ちますが、INK4はCDK4/6に焦点を当てた阻害を行います。

INK4タンパク質は、細胞が増えすぎるのを防ぐがん抑制因子として機能することが知られています。これらのタンパク質の設計情報を持つ遺伝子に異常が起こり、機能が失われると、がんの発生につながることが分かっています。INK4ファミリーのタンパク質は、その構造や機能において非常によく似ており、アミノ酸配列の類似性は最大で85%にも達します。いずれのメンバーも、アンキリンリピートと呼ばれる特徴的な構造を複数持っています。

機能メカニズム



INK4タンパク質の主な機能は、細胞周期がG1期と呼ばれる準備段階を終えて、DNA合成が行われるS期へと移行するのを防ぐことにあります。これは、INK4がCDK4やCDK6に結合することで実現されます。INK4がCDK4/6に結合すると、キナーゼの構造が変化し（アロステリック効果）、CDK4/6がサイクリンDと複合体を形成して活性化するのを阻害します。これにより、CDK4/6によってリン酸化される下流のターゲットであるRbタンパク質（網膜芽細胞腫タンパク質）のリン酸化が抑えられます。

Rbタンパク質は、通常、リン酸化されていない状態ではS期への移行に必要な遺伝子の働きを抑えています。INK4によるCDK4/6の阻害を通じて、Rbタンパク質が低リン酸化状態に維持されることで、S期遺伝子の転写が抑制され、結果として細胞周期はG1期で停止します。細胞周期が進行中の細胞では、G1期を進むにつれてCDK4/6とCDK2の間でCIP/KIPタンパク質の配置換えが起こりますが、INK4タンパク質の存在は、CDK4/6を強く阻害することで、この配置換えのバランスをG1期停止の方向に傾け、細胞がG1期を越えて先へ進むのを阻止します。

主要なメンバー



INK4ファミリーの各メンバーは、構造的な類似性がありながらも、それぞれに特徴的な機能や発現調節を持っています。

  • - p16INK4a: 4つのアンキリンリピートから構成され、全体としてヘリックスターンヘリックス構造をとります。p16INK4aの発現は、エピジェネティックな変化や、様々な転写因子によって厳密に調整されています。PRC1、PRC2、YY1、ID1といった因子はp16の発現を抑える働きを持ち、一方、CTCF、Sp1、ETSなどは発現を促します。遺伝子をなくしたマウスの実験では、p16INK4aだけを欠損したマウスは特定のがんが発生しやすいことが分かっており、ARFという別の重要ながん抑制因子と同時に欠損すると、さらにがんが発生しやすくなります。
  • - p15INK4b: p16INK4aと同様に4つのアンキリンリピートを持ちます。p15INK4bの発現は、細胞の増殖を抑えるシグナル伝達因子であるTGF-βによって引き起こされることが知られており、TGF-βによる細胞成長阻害の実行役の一つである可能性が指摘されています。
  • - p18INK4c: T細胞の増殖調節において重要な役割を果たすことが分かっています。T細胞においてp18INK4cが失われると、T細胞が増えるために必要なCD28からの補助的な刺激があまり必要なくなります。他のINK4ファミリーメンバーには、このようなT細胞増殖への影響は見られません。活性化されたT細胞では、p18INK4cはCDK4ではなくCDK6の活動を選択的に抑えることが示されており、休止状態のT細胞が不必要に増殖しないようにブレーキをかける基準を決めているのではないかと考えられています。

遺伝子座の構造



ヒトゲノム上の約35 kbの領域にあるINK4a/ARF/INK4b遺伝子座は、p15INK4b、ARF、p16INK4aという三つのタンパク質をコードするユニークな構造を持っています。p15INK4bの設計情報は、p16INK4aやARFとはゲノム上で物理的に離れた位置にあり、異なるリーディングフレーム（遺伝暗号の読み方）で読み取られます。一方、p16INK4aとARFは、最初の部分は異なりますが、後の二つのエクソン（設計情報が書かれた領域）を共有しています。しかし、これらの共有エクソンも異なるリーディングフレームで読み取られるため、p16INK4aとARFは同じ遺伝子から作られるバリアント（アイソフォーム）ではなく、アミノ酸配列の似通った部分は全くありません。

疾患・生理機能との関連



がん抑制



INK4ファミリーは、強力ながん抑制因子として機能します。発がん性変異を獲得した細胞では、しばしば細胞の防御応答としてINK4a/ARF/INK4b遺伝子座が活性化されます。この遺伝子座に、細胞周期制御の中心であるRb、そしてがん抑制のもう一つの要であるp53（ARFによって調節されます）という三つの重要な因子がコードされていることは、体の抗がん防御システムにとって、この遺伝子座に変異が起きた際に三つの防御線が同時に破られる可能性があるという弱点にもなり得ます。長寿の哺乳類では常に発がん性変異が起こっていますが、INK4a/ARF/INK4b遺伝子座の応答が、がんの発生を効果的に抑え込んでいると考えられています。マウスの実験では、INK4a/ARF/INK4b遺伝子座のタンパク質がたくさん作られているマウスは、特定のがんの発生数が大幅に減少することが分かっており、これはINK4ファミリーががん抑制に深く関与していることの有力な証拠となっています。

細胞老化



INK4ファミリーは、細胞が機能を停止して老化するプロセスにも関連があることが示唆されています。特にp16INK4aの発現は、ヒトを含む多くの哺乳類の組織で、年を取るにつれて増加することが観察されています。また、INK4aとARFの両方を欠損した動物では、加齢に伴って見られるT細胞の応答性の低下といった老化の特徴が和らぐことが分かっています。さらに、Bmi1という遺伝子を欠損した動物の神経幹細胞では、INK4aとARFの発現が増え、細胞を再び生み出す能力が下がりますが、この状態はp16INK4aを欠損させることで回復します。これらのことから、p16INK4aは単なる年齢ではなく、生理学的な加齢の指標（バイオマーカー）として利用できる可能性や、老化を実際に引き起こす側の因子（エフェクター）でもあることが考えられています。老化を促進する仕組みとしては、リンパ系器官、骨髄、脳など、様々な組織における自己複製能力の制限が挙げられます。

発現調節



当初、INK4ファミリーのメンバーは構造が似ていることから、同じような働きをすると思われていましたが、その後の研究で、マウスの発生過程において、それぞれが異なる時期に、異なる場所で発現していることが明らかになりました。このように様々なパターンで発現することは、INK4遺伝子ファミリーが特定の細胞の種類や組織だけで働く機能を持っている可能性を示唆しています。がんが発生する初期段階でINK4aとARFの発現が増えるという証拠がありますが、がんに関連したどのような刺激がこれらの遺伝子の発現を促すのか、詳しいことはまだ分かっていません。正常な組織では、p15INK4bの発現はp16INK4aの発現と必ずしも連動して増減しませんが、RASの活性化など、INK4/ARFの発現を誘導する特定のシグナルに応答して、p15INK4bの発現が増えたり減ったりすることが知られています。RASの活性化は、ERKというタンパク質を介してETS1/2という転写因子を活性化し、p16INK4aの発現を増やす働きをしていると考えられています。また、INK4a/ARF/INK4bの遺伝子の働きを抑える因子もいくつか見つかっており、Tボックスタンパク質やポリコーム群タンパク質がp16INK4a、p15INK4b、ARFの発現を抑制することが示されています。

進化の歴史



Xiphophorusという魚類を用いた研究から、p15INK4bとp16INK4aに似た遺伝子の違いがメラノーマ（悪性黒色腫）への感受性と関連して見つかっており、INK4タンパク質が3億5000万年以上前という非常に古い時代から、生物のがん抑制に関わってきた可能性が考えられています。このINK4を基盤としたがん防御システムは、その後にARFを基盤とした別の抗がん応答システムが進化することで、さらに強力になったと考えられています。

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