チロシンリン酸化

英：tyrosine phosphorylation、英略語：PY、P-Tyr

真核生物に存在するタンパク質の細胞内領域チロシン残基に起こる可逆的リン酸基付加反応。チロシンリン酸化の状態は、チロシンキナーゼ（チロシンリン酸化酵素、Protein Tyrosine Kinase、PTK）およびチロシンフォスファターゼ（チロシン脱リン酸化酵素、Protein Tyrosine Phosphatase、PTP）の活性のバランスにより制御される。高等生物の神経系において、チロシンリン酸化は、様々な神経発生や神経可塑性の過程で、タンパク質の活性や局在、タンパク質間の結合、イオンチャンネルの性質、細胞内情報伝達系等を制御することが知られている。

反応

一般に、タンパク質リン酸化は、最もよく見られるタンパク質翻訳後修飾機構である。チロシンキナーゼは、アデノシン三リン酸(ATP)のガンマ位の高エネルギーリン酸基を、基質チロシン残基にある水酸基に移動させ、共有結合させる。リン酸化に伴って、基質チロシン残基部位に負電荷が導入される。チロシン残基前後のアミノ酸配列により、チロシンキナーゼの基質特異性が決まる。チロシンフォスファターゼは、チロシンキナーゼと比較してより基質特異性が広く、リン酸化セリン・スレオニンをも基質とするものも存在する。タンパク質中のリン酸化残基の99%以上はセリンとスレオニンであるが、0.1%に満たないチロシンのリン酸化は生物学的に重要な役割を果たす。

遺伝子

真核生物ゲノムの全遺伝子の約2%はセリン・スレオニンキナーゼおよびチロシンキナーゼをコードする（ただし、ヒトの場合、キナーゼ518種の内、約50種には活性がなく、また106種は偽遺伝子であると考えられる）。酵母にはチロシンキナーゼは存在せず、線虫 C. elegans(19,100遺伝子)には全キナーゼ数454(2.4%)の内チロシンキナーゼは90種、ショウジョウバエ D. melanogaster(13,600遺伝子)には全キナーゼ数239(1.8%)の内チロシンキナーゼは32種、ヒト H. sapiens(23,000遺伝子)には全キナーゼ数518(2.2%)の内チロシンキナーゼは90種が存在する。 チロシンフォスファターゼは、107種が存在する。

構造と機能

チロシンキナーゼは構造的に、膜貫通領域を持つ受容体型と膜貫通領域を持たない非受容体型（以下に記載）とに大別される。ヒトには58種の受容体型チロシンキナーゼと32種の非受容体型チロシンキナーゼが存在する。同様に、チロシンフォスファターゼは、膜貫通領域を持つ受容体型および膜貫通領域を持たない非受容体型に大別される。チロシンキナーゼ、チロシンフォスファターゼ共に、受容体型は細胞膜上に、非受容体型は細胞質に局在する。

1979年Tony Hunterにより、癌遺伝子産物v-Srcおよび癌原遺伝子産物c-Srcがチロシンリン酸化活性を持つことが発見された。これが最初のチロシンキナーゼの報告例であり、以後多くのチロシンキナーゼが同定された。Srcを含む非受容体型チロシンキナーゼは、構造的に細胞外領域をもたず、細胞内領域にチロシンキナーゼドメインをもつ。チロシンキナーゼドメイン中には自己リン酸化部位およびATP結合部位を含み、自己リン酸化によりキナーゼ活性を調節している。Srcファミリーチロシンキナーゼ（Src、Yes、Fyn、Fgr、Lyn、Lck、Hck、Blk、Frk（脳では、Src、Yes、Fyn、Lyn、Lckが高発現））の場合、N末端領域にミリスチル化部位やパルミトイル化部位を有し、これらの部位への脂肪酸付加により膜画分に局在する様になる。多くの非受容体型チロシンキナーゼは、神経系においても様々な細胞膜受容体と会合して、膜受容体から細胞内への情報伝達を担う。 多くの非受容体型チロシンキナーゼには、SH(Src Homology)2ドメインおよびSH3ドメインとよばれるドメイン構造が存在する。SH2ドメインはリン酸化チロシン残基(pTyr)を、SH3はプロリンリッチ領域(X-Pro-X-X-Pro)を、それぞれ認識して結合することで、細胞内情報伝達系におけるタンパク質-タンパク質結合を制御する。これらのドメインは構造的に保存されたアミノ酸配列を持ち、Srcファミリーチロシンキナーゼにおいて最初に見出された。Abl、Fes、Syk/Zap70、Tec、Ack、Csk、Srm、Rak等の非受容体型チロシンキナーゼや、PI3K(phosphatidylinositol-3 kinase)、PLC(phospholipase C)-gamma等のセリン・スレオニンキナーゼ、またGrb2、Nck等のアダプタータンパク質もこれらのドメイン構造を持つ。SH2ドメインは、約100アミノ酸残基の領域であり、2つのアルファヘリックスと7つのベータシートから構成される。SH3ドメインは、約60アミノ酸残基の領域であり、5つないし6つのベータシートからなる典型的なベータバレル構造をもつ。

チロシンフォスファターゼは、保存されたモチーフ-(Ile/Val)-His-Cys-X-Ala-Gly-X-X-Arg-(Ser/Thr)-Gly-を活性中心にもつ。このシステイン残基のある酵素活性中心が、リン酸化チロシンを認識する。

チロシンリン酸化の神経機能における役割としては、シナプス前膜側からの神経伝達物質放出の調節、イオンチャンネルのコンダクタンスおよび開口確率の制御、タンパク質分子のシナプスでの局在と輸送過程の制御等が知られている。また、神経回路形成、神経筋接合部やミエリン構造の形成、軸索伸長等の神経発生過程において、チロシンリン酸化による制御が挙げられる。

参考文献

Tyrosine phosphorylation: thirty years and counting

T Hunter

Current Opinion in Cell Biology, 21, 140-146 (2009)

（執筆者：林　　崇、担当編集委員： ）