GSK-3β

グリコーゲン合成酵素キナーゼ3 (Glycogen synthase kinase 3; GSK-3)は、プロリン指向性セリン/スレオニリン酸化酵素のひとつであり、最初にグリコーゲン合成酵素をリン酸化して不活化する酵素として見出された。哺乳類では、GSK-3は51 kDaのα (GSK-3α )と47kDaのβ(GSK-3β)の二つのアイソフォームに分類される^[1]。これらの2つのアイソフォームは、キナーゼドメイン内では98%と高い相同性を示すが、76個のC末アミノ酸残基では36%の相同性しかない。GSK-3βには、スプライシング変異体；GSK-3β2が存在する。GSK-3β2の量はGSK-3β全体の15％以下であり、GSK-3βのキナーゼドメイン内に13アミノ酸残基の挿入を認める。GSK-3β2は、tauタンパクに対するキナーゼ活性がGSK-3βよりも減弱しており神経細胞体に認められる^[2] 。GSK-3βは、Wnt, Shhなどのシグナル伝達の制御に関与しており、代謝、胚発生における体軸形成や神経系の分化に重要な役割を果たしている^[3]。

構造、機能

GSK-3βは、細胞が静止状態にあるときには活性型である。その細胞がインスリンなどの物質で処理をされると、GSK-3βはホォスファチジルイノシトール‐3キナーゼ(PI-3K)の関与で不活化される。つまり、インスリンなどで処理された細胞の内部ではPI-3K - Akt経路が活性化し、その結果GSK-3βのセリン9のリン酸化が起こり不活性型となる^[4]。

GSK-3betaの基質は、本来のリン酸化部位のC末に位置する"priming"残基が先にリン酸化(priming phosphorylation)を受けている方が効率よくリン酸化できる。GSK-3βのactivation loop (T-loop)に位置するスレオニン216のリン酸化により基質結合部位が開き、アルギニン96, アルギニン180, リシン205からなるpositively charged pocketにリン酸化された基質の"priming"残基が結合する。この結合によってキナーゼドメインの方向が最適化され、基質がGSK-3βのcatalytic grooveの適切な位置にはまりリン酸化をうける^[4]。 

[Image: 図１ GSK-3βの結晶構造] 

　　

シグナル伝達に関する経路

Wntシグナル経路

Wntの非存在下では、GSK-3βはβ-catenin, Axinやがん抑制遺伝子産物APC, casein kinase 1αと複合体を形成しており、この複合体内でcasein kinase 1αとともに効率よくβ-cateninをリン酸化する。リン酸化されたβ-cateninはユビキチン化を受け、プロテオソーム内で分解される。Wntが7回膜貫通型受容体のFrizzled(Fz)と1回膜貫通型受容体のLRP5/6に結合すると、そのシグナルが細胞内に伝達されDishevelledがGSK-3β依存性のβ-catenin,のリン酸化を抑制する。低リン酸化状態のβ-cateninはプロテオゾーム内での分解を免れ、細胞質内に蓄積し核へ移行しWnt - β-catenin経路下流の遺伝子発現を調節する^[5] 。

Shhシグナル経路

GSK-3βはヘッジホッグシグナルでも重要な役割を果たしている。ヘッジホッグシグナルはショウジョウバエから哺乳類にいたる様々な生物に見られるシグナル経路である^[6] 。

ヘッジホッグシグナルは、シグナル受容体であるPatched (Ptc) とシグナルトランスデューサーであるSmoothened (Smo) によって調節されている。ヘッジホッグタンパクが存在しない時、PtcがSmoの活性化を抑制している。この状態では、ヘッジホッグシグナル下流分子であるCubitus interruptus (Ci) は、GSK-3β - サイクリン依存性キナーゼ阻害因子 (CKI)  - プロテインキナーゼC (PKA) 複合体にリン酸化され、プロセスシングをうけ抑制型になる。ヘッジホッグタンパクがPtcと結合すると、GSK-3βを含む複合体からCiが解離しリン酸化を受けていない活性型の状態で核に移行、ヘッジホッグシグナル下流分子の転写活性を上昇させる^{[7, 8]}。

ヘッジホッグの脊椎動物ホモログの一つであるソニックヘッジホッグは、哺乳類の神経系も含めた胚発生に大事な役目を果たしている。脊椎動物では、Gli1, Gli2, Gli3という3種類のCiホモログが存在している。Gli1は活性型のみで、Gli2とGli3は活性型と不活性型の2つの形態をとる。脊椎動物では、GSK-3βはSupressor of Fused (Sufu) と複合体を形成している。ソニックヘッジホッグが存在しない時、Gli2またはGli3はGSK-3βによってリン酸化を受けprimary ciliumでプロセスシングをうけ抑制型になる。Gli2の抑制型はプロテオソームで速やかに分解されるが、Gli3の抑制型は核に移行しソニックヘッジホッグシグナル下流の転写因子の発現を抑制する。ソニックヘッジホッグが存在するときは、Gli2またはGli3はGSK-3β-Sufu 複合体と解離し核に移行する。核に移行したGli2は、ソニックヘッジホッグシグナル下流の転写因子の発現を促進する。Gli3では活性型ではなく抑制型がソニックヘッジホッグシグナル下流の因子の転写調節をになている^[9]。

PI3キナーゼ/Akt/GSK-3 beta/CRMP-2シグナル経路

CRMP-2 (Collapsin response mediating protein-2) は神経軸索形成を誘導する因子として、神経細胞の極性決定に重要な役割を担っている[文献]。CRMP-2は微小管の構成分子であるチューブリン等と結合して微小管の重合を促進するとともに、軸索形成に必要なタンパク質の輸送や接着分子のリサイクリングにも関与し軸索伸長を制御している^[10]。

PI3キナーゼはAktを介してGSK-3βを制御している。GSK-3 beta がCRMP-2のスレオニン154をリン酸化すると、CRMP-2は不活性化しチューブリンとの結合能が低下し神経軸索形成が抑制される^[11] 。

関連項目

• Wnt
• Shh
• PI3キナーゼ
• Akt

1. Stambolic V, Woodgett JR

Mitogen inactivation of glycogen synthase kinase-3 beta in intact cells via serine 9 phosphorylation.

Biochem. J: 1994, 303 (pt 3); 701-4 [PubMed: 7980435]

2. Wood-Kaczmar A, Kraus M, Ishiguro K, Philpott KL, Gordon-Weeks PR.

An alternatively spliced form of glycogen synthase kinase-3beta is targeted to growing neurites and growth cones.

Mol Cell Neurosci.: 2009, 42 (3); 184-94 [PubMed: 19607922] 

3. Plyte SE, Hughes K, Nikolakaki E, Pulverer BJ, Woodgett JR

Glycogen synthase kinase-3: functions in oncogenesis and development.

Biochim. Biophys. Acta: 1992, 1114 (2-3); 147-62 [PubMed 1333807]

4. Dajani R

Crystal structure of glycogen synthase kinase 3 beta: strustural basis for phosphate-primed substrate specificity and autoinhibition.

Cell: 105 (6); 721-32 [PubMed 11440715]

5. Hur EM, Zhou FQ

GSK3 signalling in neural development.
Nat Rev Neurosci.: 2010, 11 (8); 539-51 [PubMed 20648061] 

6. Echelard Y, Epstein DJ, St-Jacques B, Shen L, Mohler J, McMahon JA, McMahon AP

Sonic hedgehog, a member of a family of putative signaling molecules, is implicated in the regulation of CNS polarity.
Cell: 1993, 75 (7); 1417-30 [PubMed 7916661 ]

7. Price MA, Kalderon D

Proteolysis of the Hedgehog signaling effector Cubitus interruptus requires phosphorylation by Glycogen Synthase Kinase 3 and Casein Kinase 1.

Cell: 2002, 108 (6); 823-35 [PubMed 11955435]

8. Smelkinson MG, Kalderon D
Processing of the Drosophila hedgehog signaling effector Ci-155 to the repressor Ci-75 is mediated by direct binding to the SCF component Slimb.
Curr Biol.: 2006, 16 (1):110-6 [PubMed 16386907 ]

9. Chen Y, Yue S, Xie L, Pu XH, Jin T, Cheng SY

Dual Phosphorylation of suppressor of fused (Sufu) by PKA and GSK3beta regulates its stability and localization in the primary cilium.
J Biol Chem.: 2011, 286 (15):13502-11 [PubMed 21317289]

10. Inagaki N, Chihara K, Arimura N, Ménager C, Kawano Y, Matsuo N, Nishimura T, Amano M, Kaibuchi K

CRMP-2 induces axons in cultured hippocampal neurons.
Nat Neurosci.: 2001, 4 (8):781-2 [PubMed  11477421] 

11, Yoshimura T, Kawano Y, Arimura N, Kawabata S, Kikuchi A, Kaibuchi K

GSK-3beta regulates phosphorylation of CRMP-2 and neuronal polarity.
Cell.: 2005, 120 (1):137-49.

（執筆者：河野　利恵、