英：tyrosine phosphorylation 英略語：PY、P-Tyr 独：Tyrosin Phosphorylierung 羅：phosphorylation tyrosine
真核生物に存在する蛋白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、チロシンリン酸化酵素（チロシンキナーゼ、protein tyrosine kinase、PTK）およびチロシン脱リン酸化酵素（チロシンフォスファターゼ、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
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。チロシンリン酸化酵素は、アデノシン三リン酸(ATP)のγ位の高エネルギーリン酸基を、基質チロシン残基側鎖にある水酸基に移動させ、リン酸エステル化により共有結合させる。一般に、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。
チロシンキナーゼ
| SH2 domain | |||||||||
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 Crystallographic structure of the SH2 domain. The structure consists of a large beta sheet (green) flanked by two alpha-helices (orange and blue)[1]. | |||||||||
| Identifiers | |||||||||
| Symbol | SH2 | ||||||||
| Pfam | PF00017 | ||||||||
| InterPro | IPR000980 | ||||||||
| SMART | SH2 | ||||||||
| PROSITE | PDOC50001 | ||||||||
| SCOP | 1sha | ||||||||
| SUPERFAMILY | 1sha | ||||||||
| OPM protein | 1xa6 | ||||||||
| CDD | cd00173 | ||||||||
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| SH3 domain | |||||||||
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 Ribbon diagram of the SH3 domain, alpha spectrin, from chicken (PDB accession code 1SHG), colored from blue (N-terminus) to red (C-terminus). | |||||||||
| Identifiers | |||||||||
| Symbol | SH3_1 | ||||||||
| Pfam | PF00018 | ||||||||
| Pfam clan | CL0010 | ||||||||
| InterPro | IPR001452 | ||||||||
| SMART | SM00326 | ||||||||
| PROSITE | PS50002 | ||||||||
| SCOP | 1shf | ||||||||
| SUPERFAMILY | 1shf | ||||||||
| CDD | cd00174 | ||||||||
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1979年Tony Hunterらにより、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[2]。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。
現在では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事が知られている。細菌や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。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。
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。受容体型は細胞膜上に、非受容体型は細胞質に存在する。
受容体型チロシンキナーゼ
受容体型チロシンキナーゼは、細胞外のリガンド結合ドメイン、細胞内のチロンシンキナーゼドメイン、そして両者をつなぐ膜貫通ドメインを持つ。神経系で重要な役割を果たすものとして、TrkA、TrkB、TrkC、FGF受容体、インスリン受容体、Eph受容体などがある。リガンド結合ドメインへのリガンド結合により、二量体化したチロシンキナーゼが活性化され、さらに下流の細胞外シグナル調節キナーゼ (extracellular signal-regulated kinase/(ERK)/Mitogen-activated Protein Kinase (MAPK)系、ホスホイノシチド-3キナーゼ (PI3K)/Akt系、ホスホリパーゼCγ (PLCγ)/Ca2+系等のシグナル伝達を制御している。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。
詳細は受容体型チロシンキナーゼの項目参照。
非受容体型チロシンキナーゼ
非受容体型チロシンキナーゼは、分子構造として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。受容体型チロシンキナーゼと異なり、非受容体型チロシンキナーゼには、直接的に結合するリガンドはない。上位の制御因子は細胞膜上に存在する種々の受容体タンパク質であり、非受容体型チロシンキナーゼは、様々な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。受容体型チロシンキナーゼと同様に、非受容体型チロシンキナーゼも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。
代表的な非受容体型チロシンキナーゼとしてSrcファミリーチロシンキナーゼがある。現在までにSrc、Yes、Fyn、Fgr、Lyn、Lck、Hck、Blk、Frkの9種が同定されており、脳では、Src、Yes、Fyn、Lyn、Lckが高発現を示す。発現部位ごとにスプライシング多様性がみられるものもある。Srcファミリーチロシンキナーゼの場合、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、これらの脂肪酸結合により細胞膜に付着し、膜近辺に局在する様になる。Srcファミリーチロシンキナーゼが会合する受容体に関しては、cadherin-related neuronal receptor (CNR)/プロトカドヘリンファミリーに属する分子がFynと会合しシナプス機能を制御する、等の研究報告がある[3]。
脳神経系で機能する他の非受容体型チロシンキナーゼには、SrcファミリーチロシンキナーゼC末端のチロシン残基をリン酸化して不活性化するc-Src tyrosine kinase (Csk)、細胞接着に関わるFocal Adhesion Kinase (FAK)およびPyk2（FAKファミリーチロシンキナーゼ）、神経突起伸長に関わるFes/FpsおよびFer（Fesファミリーチロシンキナーゼ）があり、それぞれ脳神経機能に重要な役割を担っている。
多くの非受容体型チロシンキナーゼには、Src Homology 2 (SH2)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ドメイン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。更に、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、フォスファチジルイノシトール-3キナーゼ (PI3K)、フォスフォリパーゼC (PLC)-γ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ことが明らかになった。SH2ドメインは、約100アミノ酸残基の領域であり、2つのαヘリックスと7つのβ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βシートからなる典型的なβバレル構造をもつ。
チロシンフォスファターゼ
チロシンフォスファターゼには、107種が存在する。チロシンキナーゼと同様に、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[4]。チロシンキナーゼ同様に、チロシンフォスファターゼも、受容体型は細胞膜上に、非受容体型は細胞質に存在する。チロシンフォスファターゼはチロシンキナーゼと違いその基質特異性は低く、リン酸化チロシンを含む多くのタンパク質を認識してそれぞれ脱リン酸化する。神経発生の過程における神経接着や軸索の伸長とガイダンス、シナプス形成、シナプス可塑性の調節におけるチロシンフォスファターゼの機能が明らかにされている。
受容体型チロシンフォスファターゼ
全ての受容体型チロシンフォスファターゼは、細胞外ドメイン、膜貫通ドメイン、細胞内の2つのフォスファターゼドメイン（D1およびD2）を持つ。細胞外には、イムノグロブリンドメインやフィブロネクチンⅢ型ドメインの繰り返し配列を持つ例が知られる。細胞内のD1およびD2ドメインは、280程のアミノ酸残基からなり、活性中心配列は(I/V)HCXAGXXR(S/T)Gである。これらのドメインは高度に保存されているが、膜に近い側のD1ドメインが主としてフォスファターゼ活性を担い、C末端側のD2ドメインは様々な結合タンパク質と会合する[5]。神経系で重要な役割を果たすものとして、受容体型ではLAR、PTPσ、PTPδ、PTPζ等がある。受容体型チロシンフォスファターゼのリガンド分子に付いては未だ不明な点が多いが、これまでに、(1) ヘパラン硫酸プロテオグリカンであるSyndecanがLARと結合してそのフォスファターゼ活性を抑制し、軸索伸長を制御する、(2) PleiotrophinがリガンドとしてPTPζに結合し、その活性を低下させて基質であるβcateninのチロシンリン酸化を亢進し、神経細胞移動を制御する、(3) シナプス前膜側のPTPδがシナプス後膜側の精神疾患原因遺伝子IL1RAPL1とtrans-synapticに結合し、シナプス形成を促進する、等の研究報告が知られている。
非受容体型チロシンフォスファターゼ
非受容体型チロシンフォスファターゼは受容体型チロシンフォスファターゼと異なり、膜貫通ドメインを持たず、1つのフォスファターゼドメインとそのN末かC末側に様々なドメインを有する。神経系で重要な役割を果たすものとして、PTP1B、PTEN、STEP、PTP-SL、SHP1、SHP-2、PTPMEG等などがある[6]。小脳において、PTPMEGがグルタミン酸受容体GluD2に結合し、AMPA型グルタミン酸受容体GluA2サブユニットのチロシンリン酸化状態を制御して、シナプス上のAMPA型グルタミン酸受容体発現数を調節することにより、長期抑圧に関与する、等の研究報告が知られている[7]。
生理機能
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、様々な電位依存性イオンチャネルおよびリガンド依存性イオンチャネルのコンダクタンスと開口確率の制御[8]、グルタミン酸受容体をはじめとした多くのタンパク質分子のシナプスでの局在と輸送過程の制御が報告されている。更に、それらに伴い、神経可塑性と個体レベルの行動に変化がおこることが知られている。また、他の役割として、神経回路、神経筋接合部やミエリン構造の形成、樹状突起の形態形成や軸索伸長等の過程において、チロシンリン酸化依存的な制御が挙げられる[9]。
参考文献
- ↑
Tong, L., Warren, T.C., King, J., Betageri, R., Rose, J., & Jakes, S. (1996).
Crystal structures of the human p56lck SH2 domain in complex with two short phosphotyrosyl peptides at 1.0 A and 1.8 A resolution. Journal of molecular biology, 256(3), 601-10. [PubMed:8604142] [WorldCat] [DOI] - ↑
Hunter, T. (2009).
Tyrosine phosphorylation: thirty years and counting. Current opinion in cell biology, 21(2), 140-6. [PubMed:19269802] [PMC] [WorldCat] [DOI] - ↑
Hamada, S., & Yagi, T. (2001).
The cadherin-related neuronal receptor family: a novel diversified cadherin family at the synapse. Neuroscience research, 41(3), 207-15. [PubMed:11672833] [WorldCat] [DOI] - ↑
Tonks, N.K. (2006).
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Kohda, K., Kakegawa, W., Matsuda, S., Yamamoto, T., Hirano, H., & Yuzaki, M. (2013).
The δ2 glutamate receptor gates long-term depression by coordinating interactions between two AMPA receptor phosphorylation sites. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 110(10), E948-57. [PubMed:23431139] [PMC] [WorldCat] [DOI] - ↑
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Dabrowski, A., & Umemori, H. (2011).
Orchestrating the synaptic network by tyrosine phosphorylation signalling. Journal of biochemistry, 149(6), 641-53. [PubMed:21508038] [PMC] [WorldCat] [DOI]
（執筆者：林 崇、担当編集委員：林 康紀 ）