RhoA のリン酸化はシグナル伝達を調節する CYTOSKELETON NEWS 2015年1月／2月号

Rho ファミリー GTP アーゼは、細胞運動、細胞分裂、神経発生などの幅広い生理的プロセスにおいて、重要な調節因子として機能しています¹。Rho 活性は、プレニル化、ユビキチン化、酸化、ニトロシル化、リン酸化などの直接的な翻訳後修飾（PTMs）によって、時間的・空間的に制御されています（図1）。本稿では、リン酸化を介した RhoA 機能の調節にフォーカスします。RhoA をターゲットとするキナーゼについての報告は増加しており、リン酸化は Rho ファミリータンパク質の調節に関して中心的なテーマとなりつつあります²。

RhoA （188番目のセリン残基）リン酸化のメカニズム

RhoA をリン酸化するキナーゼは、in vitro および in vivo の両方で数種類報告されています（表1）。主に注目されているのは、RhoA の188番目のセリン残基をリン酸化する PKA と PKG です。また、SKL（Ste20-related kinase）や AMPKα1 (AMP-activated protein kinase subunit α 1) などのキナーゼも、RhoA を修飾することが報告されています（表1）。

Lang らは、初期に行った in vitro での研究で、PKA によって188番目のセリン残基がリン酸化されると、RhoA が不活性化されることを示しました³。この結果は、膜結合型 RhoA-GTP が PKA によってリン酸化され、その結果として生じる膜結合型リン酸化 RhoA-GTP が Rho GDI（guanine nucleotide dissociation inhibitor）の基質となり、RhoA-GTP を細胞質に移行させるというメカニズムを支持しています³。しかし、このメカニズムは、不活性型 Rho-GDP が GDI の基質となり細胞質へ移行するという、従来の Rho サイクリングモデルとは異なっています¹。以上のことから、リン酸化によって、Rho-GTP が膜の作用部位から遊離して不活性化される、というメカニズムが考えられます。

この in vitro での報告は、in vivo において、リン酸化を模倣した RhoA コンストラクトをトランスフェクションした結果によって支持されます。この実験系で長時間観察を行ったところ、NIH 3T3 細胞をフィブロネクチン上に播種した 15〜30分後に、RhoA リン酸化（188番目セリン残基）の増加と相関して RhoA 活性が低下しました⁴。また、この結果は、細胞の伸展の際に PKA レベルが上昇するという報告とも一致しています⁵。さらに、3T3 細胞における PKA を介したストレスファイバーの崩壊は、非リン酸化型変異体である RhoA-S188A 発現細胞において、完全に阻害されることが報告されています⁴。同様に、3T3 細胞において恒常的活性型 PKG によって誘導されるストレスファイバーの崩壊は、RhoA-S188A 発現細胞において阻害されました⁶。これらの報告から、RhoA は、in vivo において PKA と PKG によってリン酸化されることが示されます。興味深いことに、血管平滑筋細胞において RhoA の188番目のセリン残基がリン酸化されると、Rho GDI と複合体を形成することにより、細胞質のリン酸化 RhoA-GTP をユビキチンを介する分解から保護します⁷。この結果を支持する報告として、血管平滑筋において、内在性 PKG 活性の刺激により、細胞質の RhoA-GTP が蓄積することが示されています⁷。

これらの報告から、リン酸化は、活性型 RhoA が膜の作用部位から遊離し、細胞質へ移行して蓄積する過程を制御することで、直接 RhoA を調節するメカニズムであり、また、従来のGTPアーゼサイクルの代替となる可能性があります。脱リン酸化が起こると、細胞質に蓄積された RhoA-GDP が Rho GDI から解離して膜に戻り、エフェクターと相互作用してシグナル伝達を行うと考えられます³。この仮説は、まだ正式には証明されていませんが、リン酸化 Rho-GTP の Rho GDI への親和性が増加すると、血管平滑筋細胞において Rac1 が活性化されることが報告されています⁸。この結果は、一部の Rho GDI プールを隔離することで、Rho ファミリータンパク質がバランスのとれた状態で調節されるという報告と一致します⁹。

図1 RhoA の翻訳後修飾

RhoA リン酸化の生理学的な重要性

RhoA のリン酸化を誘導すると、培養細胞においてアクチンストレスファイバーの劇的な崩壊が起こり、非リン酸化型変異体によってレスキューされることから、リン酸化は、RhoA の生理的な調節において重要な役割を果たしていると考えられます。また、RhoA/ROCK 経路の過剰な活性化は、肺高血圧症などの血管障害の要因となることが知られています¹⁰。RhoA の 188番目のセリンのリン酸化による不活性化は、これらの疾患に対する治療アプローチの一つとなる可能性があります¹¹。また、高血圧に対する抑制作用や血管保護作用が知られているエストロゲンは、AMPKα1キナーゼを活性化することで RhoA の188番目のセリンのリン酸化を引き起こします¹²。さらに、RhoA の188番目のセリンのリン酸化は、細胞障害性T細胞の cAMP への生理的応答を調節し、結果として細胞溶解を阻害することが示されています。このメカニズムには、cAMP によって活性化された PKA による RhoA のリン酸化に応答して細胞骨格が再構成されることで起こる、接着分子の親和性の変化が関連していると考えられます。このことは、細胞障害性T細胞が一つのターゲットから別のターゲットへと変更する能力についての説明となる可能性があります³。さらに別の例を挙げると、RhoA の188番目のセリンのリン酸化は、前立腺癌におけるアンドロゲン除去療法中の神経内分泌細胞の発生に関連しています。この症例は予後不良につながることから、RhoA のリン酸化経路に対する薬物療法は、前立腺癌治療に有用となる可能性があります¹³。

まとめと今後の展望

RhoA の調節に関連するキナーゼについての報告が増加しています。また、RhoA やその他の Rho ファミリーのメンバーを直接調節する翻訳後修飾に関する報告も増加しています。Rho タンパク質は、多くの疾患で非常に重要な役割を果たしていることから、 RhoA の翻訳後修飾は治療の対象として注目されています¹⁴。一般的に、基礎研究で RhoA 活性を測定するには、様々な Rho 活性化アッセイを利用して、細胞や組織における活性型 GTP結合 RhoA の相対的な増加量を定量します¹⁵。Rho の翻訳後修飾は、Rho を直接調節する重要なメカニズムの一つであることが明らかになってきています。これらのメカニズムがどのように統合され、相互作用しているかを解明することで、疾患および正常状態における Rho ファミリーの調節に関して、さらなる知見が得られることが期待されます。

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