カゼインキナーゼ1

カゼインキナーゼ1（英: casein kinase 1、略称: CK1/CKI、EC 2.7.11.1）は、真核生物のほとんどの細胞種でシグナル伝達経路の調節因子として機能するセリン・スレオニンキナーゼのファミリーである。CK1のアイソフォームはWntシグナル伝達、概日リズム、転写因子の核-細胞質間移行、DNA修復、転写に関与している。 放射性リン酸塩を用いた代謝標識研究によって、細胞内のリン酸化タンパク質に付加されたリン酸基が古いものから新しいものへ迅速に交換されうることが1950年代初頭までに知られていた。こうしたタンパク質へのリン酸基の付加と除去に関与する酵素の単離と特性解析を行うために、プロテインキナーゼとプロテインホスファターゼの簡便な基質が必要とされていた。カゼインはタンパク質のリン酸化に関する研究において、その最初期からそうした基質として利用されてきた。1960年代末までにはcAMP依存性プロテインキナーゼの精製が行われ、重要な酵素の活性を調節するキナーゼやホスファターゼに多くの関心が寄せられた。1974年に乳腺の小胞体と関係したカゼインキナーゼの活性の特性解析が初めて行われ、その活性がcAMPに依存していないことが示された。 CK1ファミリーは単量体型セリン/スレオニンプロテインキナーゼであり、酵母からヒトまでの真核生物に存在する。哺乳類には、 α、β1、γ1、γ2、γ3、δ、εの7種類のメンバーが存在する。これらはアイソフォームと呼ばれることもあるが、異なる遺伝子にコードされる。大きさは22 kDaから55 kDaまでさまざまであり、真核生物の膜、細胞核、細胞質、さらに哺乳類細胞では紡錘体にも同定されている。このファミリーのメンバーはキナーゼドメインが最も高い相同性を示す（53–98%の同一性）が、キナーゼドメインVIIIのAPE配列の代わりにSIN配列が存在するという点で他の大部分のプロテインキナーゼとは異なる。このファミリーのメンバーはin vitroにおける基質特異性が類似しており、in vivoでの基質選択は細胞内局在や特異的基質に存在するドッキング部位によって調節されていると考えられている。リン酸化のコンセンサス配列の1つはS/Tp-X-X-S/Tである。S/Tpはホスホセリンまたはホスホスレオニン、Xはどのアミノ酸でもよいことを意味し、下線部が標的部位である。すなわち、このコンセンサス配列は他のキナーゼによるプライミングを必要とする。一方、CK1はプライミングされていない部位もリン酸化する。標的のS/TのN末端側に酸性アミノ酸クラスターを持つ配列が最適であり、-3位に酸性残基が存在することが特に重要であるようである。NFATやβ-カテニン など重要な標的のいくつかでは、-3位のプライミングは必要とされず、酸性残基クラスターが後に続くSLS配列の最初のセリンがリン酸化される。しかしながらこうした配列のリン酸化効率は最適配列よりも低い。 カゼインキナーゼの活性は大部分の細胞種でみられ、複数の酵素と関係していることが知られている。I型カゼインキナーゼファミリーのメンバーには、CK1α、CK1εといった名称が与えられている。 CK1ε（英語版）は、Wntシグナル経路のDishevelledをリン酸化する役割が示唆されている。CK1α（英語版）はβ-カテニンに結合し、リン酸化を行う。 植物では、Jade-1（英語版）のリン酸化はCK1によって調節されている。 ヒトではCK1γは3種類存在する。ツメガエルXenopusのCK1γは細胞膜に結合しており、LRPと結合する。CK1γはLRPを介したWntシグナルの伝達に必要であり、脊椎動物やショウジョウバエの細胞ではLRP6を介したシグナル伝達に必要かつ十分である。WntのLRPへの結合は、CK1γによるLRPの細胞質ドメインのリン酸化を迅速に増加させる。CK1γによるLRP6のリン酸化は、LRPへのAxinの結合を促進し、Wntシグナル経路を活性化する。 CK1εとCK1δ（英語版）は、哺乳類の概日リズムを生み出す、遺伝的な転写-翻訳（-翻訳後）フィードバックループに必要不可欠である。 CK1εはショウジョウバエホモログであるdouble-time（DBT）が1998年に発見され、時計遺伝子としての機能が示唆された。double-timeはヒトのCK1εと86％が同一である。double-timeの変異は概日リズムを変化させることが示され、異常なフリーラン周期（free-running period）を示す2つのDBT変異体が得られた。そのうち1つは蛹段階で致死となり、低リン酸化型PERタンパク質の蓄積が引き起こされた。その後、DBTがPERをリン酸化する役割があることが明らかにされ、その哺乳類ホモログも同様の役割を持つことが示唆された。 2021年、CK1の阻害によって組織の概日リズムを数日にわたって調節する光応答性阻害剤が開発された。こうした調節因子は時間生物学研究や、周期が同調していない器官の修復に有用である可能性がある。 DBTはin vitroとin vivoにおいてPERと物理的に相互作用しており、概日周期を通じてPERと安定な複合体を形成していることが示されている。DBTによってリン酸化されたPERはSlimbによって認識される。SlimbはSCFユビキチンリガーゼ複合体の構成要素であり、リン酸化依存的にタンパク質にプロテアソーム分解のための標識を付加する。細胞質でのPER分解の亢進はPERとTIM（英語版）の双方の核移行を遅らせ、概日リズムの周期に影響を与えると考えられている。 47番のプロリン残基がセリンに置換された（P47S）変異体であるdbtSは、周期を約6時間短縮する。dbtLは80番のメチオニンがイソロイシンに置換された（M80I）変異体であり、周期が約29時間に伸長する。dbtARは126番のヒスチジンがチロシンに置換された（H126Y）変異体であり、周期が乱れる。この変異体では、PERタンパク質は低リン酸化状態となっている。これらの変異はDBTのキナーゼドメインにマッピングされる。DBTの短周期型と長周期型のアレルは核内でのPERの分解をそれぞれ強めたり弱めたりし、適切なPERの分解が24時間周期の確立に重要な決定因子であることが示されている。タンパク質分解への影響に加えて、DBTはPERの核内への蓄積の時期にも影響を与える。短周期型変異体であるdbtSではPERの核内蓄積が遅れ、この現象はPERタンパク質の安定性とは無関係である。非周期型では、PERの恒常的な核内蓄積がみられる。 哺乳類のCK1δとCK1εには密接に関連した123アミノ酸からなるC末端ドメインが存在し、キナーゼ活性の自己調節を行っている。CK1δとCK1εの同一性は53%である。これらのドメインはDBTのC末端ドメインとの関連性はないことから、哺乳類とハエのホモログは進化の過程で分岐したことが示唆される。シロイヌナズナ、ショウジョウバエ、アカパンカビでは、CK2にも同様の機能が報告されている。 CK1εはPERタンパク質（PER1（英語版）、PER2（英語版）、PER3（英語版））に周期的に結合してリン酸化する。両者はヘテロ二量体を形成し、CRYタンパク質（CRY1、CRY2）とも相互作用する。リン酸化には2つの効果がある。ショウジョウバエでは、PERタンパク質のリン酸化はユビキチン化を促進し、分解をもたらすことが示されている。また、PERタンパク質のリン酸化は時計遺伝子の転写抑制のための核移行を不可能な状態にする。核移行の阻害はPERの核局在シグナルのリン酸化によって行われ、シグナルを覆い隠すことで核への進入が妨げられる。しかしながら、PERタンパク質複合体がCRYに結合している際には、このCK1εによる細胞質への拘束に打ち勝つことができる。CK1εとCRYの双方がPERと複合体を形成している際にCK1εはCRYをリン酸化することがin vitroで示されているが、その機能的意義は未解明である。 転写因子BMAL1はin vitroでCK1εの基質であり、CK1εの活性の増加はBMAL1依存的な概日遺伝子プロモーターの影響下にある遺伝子の転写を正に調節することが示されている。この効果のin vivoでの検証はまだ行われていない。 CK1δとCK1εはヒトの疾患における重要性が示されており、異常な概日リズムの治療にCK1の薬理的阻害が有効である可能性を示す研究結果が得られている。PER2のCK1εリン酸化部位の変異や多様性は家族性睡眠相前進症候群（FASPS）と関係している。同様に、PER3のリン酸化部位の長さの多様性は「朝型」「夜型」と相関しており、長いアレルは早起きの人、短いアレルは朝が遅い人と関係している。さらに、睡眠相後退症候群の患者の75%は短いアレルをホモ接合で持つ。 CK1の変異は他の哺乳類でも概日行動を変化させることが示されている。1988年にはゴールデンハムスターでフリーラン周期が22時間となるtau変異体が得られ、これは哺乳類で最初に発見された概日周期変異体であった。2000年には、tau変異がCK1εにマッピングされた。tau変異体はその発見以降、概日周期の生物学における貴重な研究ツールとして利用されている。CK1ɛtauにみられるT178C変異はPER（CRYではない）の分解の増加を引き起こす機能獲得型変異である。その結果、PERによって調節されているフィードバックループが破壊され、分子的振動が加速される。ホモ接合型変異体（CK1ε(tau/tau)）はin vivo（行動による測定）とin vitro（視交叉上核の発火率の測定）の双方で周期の大きな短縮を示す。CK1δ遺伝子の変異と家族性片頭痛や睡眠相の前進との関係も同定されており、マウス片頭痛モデルでも再現されている。 概日周期の長さやタンパク質の安定性におけるCK1δとCK1εの機能は一般的に冗長性があると考えられている。しかしながら、CK1δの欠乏は概日周期を伸長するが、CK1εの欠乏ではそうした効果は見られないことが示されている。また、PER1のリン酸化に関してCK1αがCK1δと冗長的な役割を果たしていることが示唆されているが、この結果は他のデータと一致しない。 核と細胞質において真核生物のリボソームの60Sサブユニットの生合成に必要不可欠なタンパク質であるeIF6（英語版）の核外輸送の調節には、CK1αもしくはCK1δが必要不可欠である。CK1によるSer174とSer175のリン酸化はeIF6の核外輸送を促進し、カルシニューリンによる脱リン酸化はeIF6の核への蓄積を促進する。 CK1は、NFATの核細胞質間シャトリングへの関与も示唆されている。酵母では、CK1ホモログがNFATと類似したモチーフを持つ転写因子Crz1pをリン酸化することが観察されている。 CK1δの活性は、有糸分裂やDNA損傷応答への関与が示唆されている。間期の間CK1δはゴルジ体に結合し、トランスゴルジ網からのクラスリン被覆小胞の出芽を調節しているようである。また、CK1δはチューブリンとも結合しているようである。未損傷の有糸分裂期細胞ではCK1δとチューブリンの結合はみられないが、DNA損傷を受けた細胞では有糸分裂時にリクルートされることから、CK1δが有糸分裂時に微小管ネットワークの調整に何らかの役割を有していることが示唆されている。こうした生物学的相互作用の機構は不明である。 ^ a b c “Casein kinase I: another cog in the circadian clockworks”. Chronobiology International 18 (3): 389–98. (May 2001). doi:10.1081/CBI-100103963. PMID 11475410.  ^ “The enzymatic phosphorylation of proteins”. The Journal of Biological Chemistry 211 (2): 969–80. (December 1954). doi:10.1016/S0021-9258(18)71184-8. PMID 13221602. http://www.jbc.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=13221602.  ^ “Casein kinase from the Golgi apparatus of lactating mammary gland”. The Journal of Biological Chemistry 249 (11): 3647–51. (June 1974). doi:10.1016/S0021-9258(19)42622-7. PMID 4364664. http://www.jbc.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=4364664.  ^ a b “Isolation and characterization of human casein kinase I epsilon (CKI), a novel member of the CKI gene family”. The Journal of Biological Chemistry 270 (25): 14875–83. (June 1995). doi:10.1074/jbc.270.25.14875. PMID 7797465.  ^ “Protein kinases 6. The eukaryotic protein kinase superfamily: kinase (catalytic) domain structure and classification”. FASEB Journal 9 (8): 576–96. (May 1995). doi:10.1096/fasebj.9.8.7768349. PMID 7768349.  ^ a b “Optimal sequences for non-phosphate-directed phosphorylation by protein kinase CK1 (casein kinase-1)--a re-evaluation”. European Journal of Biochemistry 260 (2): 520–6. (March 1999). doi:10.1046/j.1432-1327.1999.00195.x. PMID 10095790.  ^ “Synergistic phosphorylation of rabbit muscle glycogen synthase by cyclic AMP-dependent protein kinase and casein kinase I. Implications for hormonal regulation of glycogen synthase”. The Journal of Biological Chemistry 264 (16): 9126–8. (June 1989). doi:10.1016/S0021-9258(18)60501-0. PMID 2498326. http://www.jbc.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=2498326.  ^ “Phosphate groups as substrate determinants for casein kinase I action”. The Journal of Biological Chemistry 265 (24): 14264–9. (August 1990). doi:10.1016/S0021-9258(18)77295-5. PMID 2117608. http://www.jbc.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=2117608.  ^ “Role of acidic residues as substrate determinants for casein kinase I”. The Journal of Biological Chemistry 266 (6): 3724–7. (February 1991). doi:10.1016/S0021-9258(19)67854-3. PMID 1995625. http://www.jbc.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=1995625.  ^ “Intramolecular masking of nuclear import signal on NF-AT4 by casein kinase I and MEKK1”. Cell 93 (5): 851–61. (May 1998). doi:10.1016/S0092-8674(00)81445-2. PMID 9630228.  ^ “Axin-mediated CKI phosphorylation of beta-catenin at Ser 45: a molecular switch for the Wnt pathway”. Genes & Development 16 (9): 1066–76. (May 2002). doi:10.1101/gad.230302. PMC 186245. PMID 12000790. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC186245/.  ^ “Control of beta-catenin phosphorylation/degradation by a dual-kinase mechanism”. Cell 108 (6): 837–47. (March 2002). doi:10.1016/S0092-8674(02)00685-2. PMID 11955436.  ^ “A noncanonical sequence phosphorylated by casein kinase 1 in beta-catenin may play a role in casein kinase 1 targeting of important signaling proteins”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 100 (18): 10193–200. (September 2003). Bibcode: 2003PNAS..10010193M. doi:10.1073/pnas.1733909100. PMC 193538. PMID 12925738. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC193538/.  ^ “Analysis of combinatorial effects of Wnts and Frizzleds on beta-catenin/armadillo stabilization and Dishevelled phosphorylation”. Genes to Cells 10 (9): 919–28. (September 2005). doi:10.1111/j.1365-2443.2005.00889.x. PMID 16115200.  ^ “A dual-kinase mechanism for Wnt co-receptor phosphorylation and activation”. Nature 438 (7069): 873–7. (December 2005). Bibcode: 2005Natur.438..873Z. doi:10.1038/nature04185. PMC 2100418. PMID 16341017. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2100418/.  ^ “Casein kinase 1 α phosphorylates the Wnt regulator Jade-1 and modulates its activity”. The Journal of Biological Chemistry 289 (38): 26344–56. (September 2014). doi:10.1074/jbc.M114.562165. PMC 4176241. PMID 25100726. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4176241/.  ^ “Casein kinase 1 gamma couples Wnt receptor activation to cytoplasmic signal transduction”. Nature 438 (7069): 867–72. (December 2005). Bibcode: 2005Natur.438..867D. doi:10.1038/nature04170. PMID 16341016.  ^ “Essential roles of CKIdelta and CKIepsilon in the mammalian circadian clock”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 106 (50): 21359–64. (December 2009). doi:10.1073/pnas.0906651106. PMC 2795500. PMID 19948962. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2795500/.  ^ “double-time is a novel Drosophila clock gene that regulates PERIOD protein accumulation”. Cell 94 (1): 83–95. (July 1998). doi:10.1016/S0092-8674(00)81224-6. PMID 9674430.  ^ “The Drosophila clock gene double-time encodes a protein closely related to human casein kinase Iepsilon”. Cell 94 (1): 97–107. (July 1998). doi:10.1016/s0092-8674(00)81225-8. PMID 9674431.  ^ “The doubletime and CKII kinases collaborate to potentiate Drosophila PER transcriptional repressor activity”. Molecular Cell 13 (2): 213–23. (January 2004). doi:10.1016/S1097-2765(03)00503-3. PMID 14759367.  ^ “Cloning and characterization of rat casein kinase 1epsilon”. FEBS Letters 477 (1–2): 106–12. (July 2000). doi:10.1016/s0014-5793(00)01755-5. PMID 10899319.  ^ “Resetting the biological clock by flipping a switch” (英語). phys.org. https://phys.org/news/2021-05-resetting-biological-clock-flipping.html 14 June 2021閲覧。  ^ “Reversible modulation of circadian time with chronophotopharmacology”. Nature Communications 12 (1): 3164. (May 2021). Bibcode: 2021NatCo..12.3164K. doi:10.1038/s41467-021-23301-x. PMC 8155176. PMID 34039965. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8155176/.  Available under CC BY 4.0. ^ a b c d e Schibler, Ueli, ed (July 2008). “Activating PER repressor through a DBT-directed phosphorylation switch”. PLOS Biology 6 (7): e183. doi:10.1371/journal.pbio.0060183. PMC 2486307. PMID 18666831. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2486307/.  ^ a b “The casein kinase 1 family: participation in multiple cellular processes in eukaryotes”. Cellular Signalling 17 (6): 675–89. (June 2005). doi:10.1016/j.cellsig.2004.12.011. PMID 15722192.  ^ “A role for casein kinase 2alpha in the Drosophila circadian clock”. Nature 420 (6917): 816–20. (2002). Bibcode: 2002Natur.420..816L. doi:10.1038/nature01235. PMID 12447397.  ^ “The nature of the nerve lesion caused by chronic entrapment in the guinea-pig”. Journal of the Neurological Sciences 19 (4): 491–5. (August 1973). doi:10.1016/0022-510X(73)90045-2. PMID 4724822.  ^ “Regulation of the Neurospora circadian clock by casein kinase II”. Genes & Development 16 (8): 994–1006. (April 2002). doi:10.1101/gad.965102. PMC 152355. PMID 11959847. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC152355/.  ^ a b c d “The circadian regulatory proteins BMAL1 and cryptochromes are substrates of casein kinase Iepsilon”. The Journal of Biological Chemistry 277 (19): 17248–54. (May 2002). doi:10.1074/jbc.M111466200. PMC 1513548. PMID 11875063. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1513548/.  ^ “Reversible protein phosphorylation regulates circadian rhythms”. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology 72: 413–20. (2007). doi:10.1101/sqb.2007.72.048. PMID 18419299.  ^ “Nuclear entry of the circadian regulator mPER1 is controlled by mammalian casein kinase I epsilon”. Molecular and Cellular Biology 20 (13): 4888–99. (July 2000). doi:10.1128/MCB.20.13.4888-4899.2000. PMC 85940. PMID 10848614. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC85940/.  ^ a b “Functional consequences of a CKIdelta mutation causing familial advanced sleep phase syndrome”. Nature 434 (7033): 640–4. (March 2005). Bibcode: 2005Natur.434..640X. doi:10.1038/nature03453. PMID 15800623.  ^ “Entrainment of disrupted circadian behavior through inhibition of casein kinase 1 (CK1) enzymes”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 107 (34): 15240–5. (August 2010). Bibcode: 2010PNAS..10715240M. doi:10.1073/pnas.1005101107. PMC 2930590. PMID 20696890. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2930590/.  ^ a b “High-throughput chemical screen identifies a novel potent modulator of cellular circadian rhythms and reveals CKIα as a clock regulatory kinase”. PLOS Biology 8 (12): e1000559. (December 2010). doi:10.1371/journal.pbio.1000559. PMC 3001897. PMID 21179498. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3001897/.  ^ Archer, Simon N.; Robilliard, Donna L.; Skene, Debra J.; Smits, Marcel; Williams, Adrian; Arendt, Josephine; von Schantz, Malcolm (2003). “A Length Polymorphism in the Circadian Clock Gene Per3 is Linked to Delayed Sleep Phase Syndrome and Extreme Diurnal Preference”. Sleep 26 (4): 412–415. doi:10.1093/sleep/26.4.413. PMID 12841365.  ^ “A mutation of the circadian system in golden hamsters”. Science 241 (4870): 1225–7. (September 1988). Bibcode: 1988Sci...241.1225R. doi:10.1126/science.3413487. PMID 3413487.  ^ “Positional syntenic cloning and functional characterization of the mammalian circadian mutation tau”. Science 288 (5465): 483–92. (April 2000). Bibcode: 2000Sci...288..483L. doi:10.1126/science.288.5465.483. PMC 3869379. PMID 10775102. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3869379/.  ^ a b c “Casein kinase 1 delta regulates the pace of the mammalian circadian clock”. Molecular and Cellular Biology 29 (14): 3853–66. (July 2009). doi:10.1128/MCB.00338-09. PMC 2704743. PMID 19414593. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2704743/.  ^ “Setting clock speed in mammals: the CK1 epsilon tau mutation in mice accelerates circadian pacemakers by selectively destabilizing PERIOD proteins”. Neuron 58 (1): 78–88. (April 2008). doi:10.1016/j.neuron.2008.01.019. PMC 3756141. PMID 18400165. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3756141/.  ^ “Casein kinase iδ mutations in familial migraine and advanced sleep phase”. Science Translational Medicine 5 (183): 183ra56, 1–11. (May 2013). doi:10.1126/scitranslmed.3005784. PMC 4220792. PMID 23636092. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4220792/.  ^ Vielhaber, E.; Eide, E.; Rivers, A.; Gao, Z.-H.; Virshup, D. M. (2000-07-01). “Nuclear Entry of the Circadian Regulator mPER1 Is Controlled by Mammalian Casein Kinase I varepsilon” (英語). Molecular and Cellular Biology 20 (13): 4888–4899. doi:10.1128/MCB.20.13.4888-4899.2000. ISSN 0270-7306. PMC 85940. PMID 10848614. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC85940/.  ^ a b “Opposing action of casein kinase 1 and calcineurin in nucleo-cytoplasmic shuttling of mammalian translation initiation factor eIF6”. The Journal of Biological Chemistry 286 (4): 3129–38. (January 2011). doi:10.1074/jbc.M110.188565. PMC 3024805. PMID 21084295. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3024805/.  ^ “Negative regulation of calcineurin signaling by Hrr25p, a yeast homolog of casein kinase I”. Genes & Development 17 (21): 2698–708. (November 2003). doi:10.1101/gad.1140603. PMC 280619. PMID 14597664. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC280619/.  ^ a b c “Interaction of casein kinase 1 delta (CK1delta) with post-Golgi structures, microtubules and the spindle apparatus”. European Journal of Cell Biology 79 (4): 240–51. (April 2000). doi:10.1078/S0171-9335(04)70027-8. PMID 10826492.  カゼインキナーゼ2 — 異なるプロテインキナーゼのファミリー