p14arf
サイクリン依存性キナーゼ阻害剤2A（メラノーマ、p16、CDK4を阻害）
識別子
シンボルCDKN2A
代替記号CDKN2、MLM
NCBI遺伝子1029
HGNC1787
オミム600160
参照シーケンスNM_058195
ユニプロットP42771
その他のデータ
軌跡第9章21ページ
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構造スイスモデル
ドメインインタープロ

p14ARF（ARF腫瘍抑制因子、ARF、p14 ARFとも呼ばれる）は、CDKN2A遺伝子座（INK4a / ARF遺伝子座）の代替読み枠タンパク質産物である。[ 1 ] p14ARFは、MYCおよびRas（タンパク質）からの異常な増殖シグナルなど、増殖刺激の上昇に反応して誘導される。[ 2 ]主に核小体に蓄積し、そこでNPMまたはMdm2と安定した複合体を形成する。これらの相互作用により、p14ARFはリボソーム生合成を阻害するか、 p53依存性細胞周期停止およびアポトーシスを開始することで、腫瘍抑制因子として作用する。[ 3 ] p14ARFは、転写、アミノ酸組成、分解の点で非典型的なタンパク質である。異なるタンパク質の代替読み枠で転写され、塩基性が高く、 [ 1 ] N末端でポリユビキチン化されている。[ 4 ]

p16INK4aとp14ARFはどちらも細胞周期の制御に関与しています。p14ARFはmdm2を阻害することでp53の活性化を促進し、p21の活性化を促進します。p21は特定のサイクリン-CDK複合体に結合して不活性化し、細胞周期のG 1 /Sチェックポイントを通過する遺伝子の転写を促進します。CDKN2A（INK4A ）遺伝子のホモ接合変異によってp14ARFが失われると、 mdm2レベルの上昇につながり、 p53の機能と細胞周期の制御が失われます。

マウスにおける同等物は p19ARF です。

背景

p14ARF転写産物は1995年にヒトで初めて同定され、[ 5 ] [ 6 ]同年にマウスでそのタンパク質産物が確認された。 [ 7 ]その遺伝子座はヒトでは9番染色体の短腕にあり、マウスでは4番染色体の対応する位置にある。[ 1 ]これは、それぞれ16 kDa (p16 INK4a ) と15 kDa (p15 INK4b ) のタンパク質であるタンデムリピートINK4aとINK4bの遺伝子の 近くに位置している。これらのINK4タンパク質はサイクリンD依存性キナーゼCDK4とCDK6を直接阻害する。他の染色体にもINK4遺伝子があるが、これらは癌とは関連がなく、機能が重複する可能性は低い。重要なサイクリン依存性基質は網膜芽細胞腫タンパク質Rbであり、ギャップ1期後期（G1期）にリン酸化され、G1期からの脱出を可能にする。Rbタンパク質は、 DNA複製に必要な遺伝子の転写を活性化するE2F転写因子の活性を阻害することで細胞増殖を制限する。細胞周期のG1期にサイクリンDおよびE依存性キナーゼによってRbがリン酸化されると、RbはE2F依存性転写を阻害できなくなり、細胞はDNA合成期（S期）に進むことができる。[ 8 ]したがって、INK4aおよびINK4bは、Rbのリン酸化を担うCDKを阻害することで増殖を制限することで、腫瘍抑制因子として機能する。[ 7 ]

INK4aタンパク質に加えて、無関係なタンパク質ARFがINK4a/ARF遺伝子座の代替読み枠から転写される。 [ 1 ] INK4aとp14ARFのmRNAはそれぞれ3つのエクソンからなる。エクソン2と3は共通だが、エクソン1の転写産物はαとβの2種類がある。エクソン1β（E1β）はINK4aとINK4bの遺伝子の間に挿入されている。[ 1 ]エクソン1α（E1α）とE1βは内容も大きさもほぼ同じだが、エクソン1βの5' AUG（開始コドン）には独自のプロモーターがあり、エクソン2に代替読み枠を開くため、p14ARF（ARFエクソン3は翻訳されない）という名前が付けられている。このため、INK4aとp14ARFは重複するコード領域があるにもかかわらず無関係なアミノ酸配列を持ち、異なる機能を持っている。このコード配列の二重使用は哺乳類では一般的に見られないため、p14ARF は珍しいタンパク質です。[ 1 ] ARF β転写産物が発見されたとき、おそらくタンパク質をコードしないだろうと考えられていました。[ 5 ] [ 6 ]ヒトでは、ARF は 14kDa、132 アミノ酸の [[p14 ARF ]] タンパク質に翻訳され、マウスでは 19kDa、169 アミノ酸の p19 Arfに翻訳されます。[ 1 ]マウスとヒトの ARF の E1β タンパク質セグメントは 45% 同一で、ARF 全体の同一性は 50% です。これに対し、マウスとヒトの INK4a E1α セグメントの同一性は 72%、全体の同一性は 65% です。[ 7 ]

INK4aとARFタンパク質は構造的にも機能的にも異なりますが、どちらも細胞周期の進行に関与しています。これらの広範な阻害作用は、共に発癌シグナルに対抗するのに役立つ可能性があります。前述のように、INK4aはRbがE2F転写因子と会合したまま間接的に維持できるようにすることで増殖を阻害します。ARFはMdm2（ヒトではHDM2）を阻害することでp53の活性化に関与しています。 [ 8 ] Mdm2はp53に結合し、その転写活性を阻害します。Mdm2はp53に対してE3ユビキチンリガーゼ活性も持ち、 p53を細胞核から細胞質へ輸送して分解を促進します。ARFはMdm2に拮抗することでp53の転写活性を阻害し、細胞周期停止やアポトーシスを引き起こします。したがって、ARFまたはp53の喪失は、細胞に生存上の利点をもたらすと考えられます。[ 1 ]

ARF の機能は、主に Mdm2/p53 機構によるものと考えられてきた。しかし、ARF は p53 を欠損している細胞、または p53 と Mdm2 の両方を欠損している細胞の増殖も阻害する。[ 9 ] 2004 年に、ARF の p53 非依存性機能の 1 つに、ヌクレオフォスミン/B23 (NPM) への結合が含まれることがわかった。[ 9 ] NPM は、p53 に依存せずにプレリボソーム処理および核輸出に関与する酸性リボソームシャペロン (タンパク質)であり、それ自体および p14 ARFとオリゴマーを形成する。p14 ARFのほぼ半分は、高分子量 (2～5 MDa) の NPM 含有複合体中に見出される。ARF の強制発現は、初期の 47S/45S rRNA 前駆体処理を遅らせ、32S rRNA 切断を阻害する。[ 9 ] ARF ヌル細胞は核小体面積の増大、リボソーム新生の促進、およびそれに応じたタンパク質合成の増加がみられる。[ 10 ]リボソームとタンパク質の増加によるサイズの増大は増殖の増加とは関係がなく、この ARF ヌル表現型は Arf の正常基底レベルが低い場合でも発生する。エクソン1βに対するsiRNAで ARF をノックダウンすると、rRNA 転写、rRNA プロセシング、およびリボソームの核外輸出が増加する。NPM が ARF に結合していないときに見られる抑制されないリボソーム新生は、NPM も存在しない場合には発生しない。発癌シグナルに応答して ARF が誘導されることが最も重要であると考えられているが、間期細胞で見られる低レベルの ARF も、細胞増殖を抑制するという点でかなりの効果を持っている。したがって、NPM/ARF複合体における基底レベルのARFの機能は、増殖を防ぐこととは独立して、定常状態のリボソームの生合成と成長を監視することであると考えられる。[ 10 ]

病気における役割

癌は、INK4a、ARF、Rb、またはp53の機能喪失と非常によく関連しています。[ 11 ] INK4aが欠乏すると、Cdk4/6がRbを不適切にリン酸化してE2F依存性転写の増加につながります。ARFが欠乏すると、Mdm2がp53を不適切に阻害して細胞生存率の増加につながります。

INK4a/ARF遺伝子座は、多くの種類の腫瘍で欠失またはサイレンシングされていることが分かっています。例えば、原発性乳癌100例のうち、約41%にp14 ARFの欠陥が見られます。[ 12 ]別の研究では、大腸腺腫（非癌性腫瘍）の32%で、プロモーター領域の過剰メチル化によりp14 ARFが不活性化していることがわかりました。p19 Arf 、p53、Mdm2を欠損したマウスモデルは、Mdm2とp53のみを欠損したマウスよりも腫瘍を発症しやすいことが示されています。これは、p19 ArfがMdm2およびp53に依存しない効果も持っていることを示唆しています。[ 13 ]この考えを研究した結果、smARFが最近発見されました。[ 14 ]

CDK2NA（ARF）のホモ接合欠失やその他の変異は、神経膠芽腫と関連していることが判明している。[ 15 ]

スマーフ

最近まで、ARFの2つの既知の効果は、NPM相互作用による増殖阻害とMdm2相互作用によるアポトーシス誘導でした。p53非依存性細胞死に関わるARFの機能は、現在ではARFの小型ミトコンドリアアイソフォームであるsmARFに起因するものとされています。[ 14 ]全長ARFは細胞周期停止またはI型アポトーシスによって細胞増殖を阻害しますが、smARFはII型オートファジーによって細胞を死滅させます。ARFと同様に、異常な増殖シグナルがあるとsmARFの発現が増加します。smARFが過剰発現すると、ミトコンドリアマトリックスに局在し、ミトコンドリアの膜電位と構造を損傷し、オートファジーによる細胞死を引き起こします。[ 16 ]

短縮型ARFであるsmARFの翻訳は、ヒトおよびマウス細胞においてARF転写産物の内部メチオニン（M45）から開始される。ラットの転写産物には内部メチオニンが存在しないにもかかわらず、smARFはラットでも検出される。これは、smARFを形成するための代替メカニズムが存在することを示唆しており、このアイソフォームの重要性を強調している。[ 14 ] smARFの役割はARFの役割とは異なり、核局在シグナル（NLS）を欠き、Mdm2またはNPMに結合できない。[ 3 ]しかし、一部の細胞型では、全長ARFもミトコンドリアに局在し、II型細胞死を誘導することができる。これは、オートファジーが飢餓やその他の環境応答であることに加えて、がん遺伝子活性化への応答にも関与している可能性があることを示唆している。[ 2 ]

生化学

ARFの発現は、発癌シグナル伝達によって制御されている。MYCやRas （タンパク質）などの異常な有糸分裂刺激は、変異したp53やMdm2の増幅、あるいはp53の喪失と同様に、その発現を増加させる。[ 8 ] ARFは、 E2Fの強制発現によっても誘導される。E2Fの発現は細胞周期中に増加するが、ARFの発現は増加しないと考えられる。これは、一時的なE2Fの上昇に対するARFの反応を防ぐには、別の未知の転写因子の活性化が必要になる可能性があるためである。[ 11 ] ARFは、Rb-E2F複合体[ 11 ]と増幅されたp53活性化によって負に制御される。[ 8 ]異常な増殖シグナルもsmARFの発現を増加させる。[ 16 ]

ARF は高度に塩基性 (pI>12) かつ疎水性のタンパク質である。[ 8 ]その塩基性はアルギニン含有量に起因し、アミノ酸の 20% 以上がアルギニンであり、リジンはほとんどまたは全く含まれていない。これらの特性により、ARF は他の標的に結合しない限り構造化されていない可能性が高い。報告では 25 種類以上のタンパク質と複合体を形成するが、これらの相互作用のそれぞれの意義は不明である。[ 1 ]これらの相互作用の 1 つは SUMO 化活性をもたらし、ARF が結合したタンパク質を修飾する可能性を示唆している。SUMOタンパク質は小さなユビキチン様修飾因子であり、リジンの ε-アミノ基に付加される。このプロセスには、ユビキチン化が起こる方法に似た3 つの酵素カスケードが関与している。E1 は活性化酵素、E2 は結合酵素、E3 はリガーゼである。 ARFは、唯一知られているSUMO E2であるUBC9と会合しており、ARFがSUMOとの共役を促進することを示唆しています。SUMO化はタンパク質輸送、ユビキチン化阻害、遺伝子発現変化など、様々な機能に関与しているため、この役割の重要性は不明です。 [ 1 ]

ARFの半減期は約6時間であるが[ 4 ] 、 smARFの半減期は1時間未満である。[ 3 ]両方のアイソフォームはプロテアソームで分解される。[ 1 ] [ 4 ] ARFはN末端ユビキチン化によってプロテアソームの標的となる。[ 4 ]タンパク質は通常リジン残基でユビキチン化される。しかし、ヒト[[p14 ARF ]]にはリジンが含まれておらず、マウスp19 Arfにはリジンが1つだけ含まれる。マウスのリジンをアルギニンに置き換えても分解に影響はなく、N末端でもユビキチン化されていることが示唆される。ほとんどの真核生物タンパク質はN末端でアセチル化されており、この位置でのユビキチン化を防ぐため、これがARFタンパク質の独自性を高めている。末端から2番目の残基はアセチル化の効率に影響を与え、酸性残基はアセチル化を促進し、塩基性残基はアセチル化を阻害する。p19 Arf（Met-Gly-Arg）とp14 ARF（Met-Val-Arg）のN末端アミノ酸配列はメチオニンアミノペプチダーゼによって処理されるが、アセチル化されず、ユビキチン化が進行する。しかし、smARFの配列から、開始メチオニンはメチオニンアミノペプチダーゼによって切断されず、おそらくアセチル化され、ユビキチン化を伴わずにプロテアソームによって分解されることが予測される。[ 1 ]

全長核小体ARFはNPMによって安定化されると考えられる。NPM-ARF複合体はARFのN末端をブロックしないものの、ARFが分解機構にアクセスされるのを防ぐ働きをしていると考えられる。[ 4 ]ミトコンドリアマトリックスタンパク質p32はsmARFを安定化させる。[ 16 ]このタンパク質は様々な細胞タンパク質やウイルスタンパク質に結合するが、その正確な機能は不明である。p32をノックダウンすると、smARFの代謝回転が促進され、そのレベルは劇的に低下する。p19 Arfのレベルはp32のノックダウンの影響を受けないため、p32はsmARFを特異的に安定化させ、おそらくプロテアソームやミトコンドリアプロテアーゼからsmARFを保護すると考えられる。[ 16 ]

参考文献

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