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β-カテニンとTFC/LEF-1の翻訳後修飾による標準的なWntシグナル制御 CYTOSKELETON NEWS 2018年3月号

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メーカー名：Cytoskeleton, Inc.

β-カテニンとTFC/LEF-1の翻訳後修飾による標準的なWntシグナル制御

タンパク質の翻訳後修飾 (PTM) には、リン酸化、アセチル化、ユビキチン化、SUMO化などがあり、一つのタンパク質が多数の機能を持つよう進化しており、プロテオームの増大した複雑さと、機能の多様性を生み出しています¹。PTMによる複雑でダイナミックな制御力の主な例としてWnt/β-カテニンシグナル伝達が挙げられます^2,3。本経路は、胚発生や成体細胞が恒常性を保っている間に、細胞増殖、分化、遊走を制御します^4-6。さらに、Wnt/β-カテニンシグナル伝達の調節不全は、発がんや変性疾患を初めとする複数の病態と関係づけられています^5,7。標準的なWnt媒介性シグナル伝達では、β-カテニンが主要な役割を果たし、同時転写因子としてDNA結合タンパク質であるTCF（T細胞因子）やLEF-1（リンパ球エンハンサー因子1）と相互作用し、cyclin D1, c-jun, c-mycなどのWnt/β-カテニン標的遺伝子の転写を活性化します^8-11（図1）。本稿では、β-カテニンとTCF/LEF-1のPTMによる機能制御について述べていきます。

図1. β-カテニンとTCF/LEF-1のPTMによる安定性と相互作用の制御
（βBD:β-カテニン結合ドメイン、HMG:高運動基）

Wntシグナル伝達におけるβ-カテニンの翻訳後制御

Frizzled (Fz)と低密度リポタンパク質受容体関連タンパク質 (LRP) 5や6の共受容体複合体へ、Wntが結合していない場合、足場材料/主要抑制タンパク質であるアキシンやAPCタンパク質から構成されるマルチタンパク質破壊複合体や、セリン/スレオニンキナーゼカゼインキナーゼ1α(CK-1α) およびグリコーゲン合成酵素キナーゼ3(GSK3)が、β-カテニンのリン酸化を媒介します^2,3,9。このような静止状態の条件下では、β-カテニンは次々にリン酸化され、まずSer45がCK-1αによりリン酸化され、その後GSK3によりSer33, Ser37, Thr41がリン酸化されます¹²（図1）。リン酸化を受けて、E3ユビキチンリガーゼであるβ-トランスデューシン反復配列含有タンパク質（β-TrCP）が、リン酸化β-カテニンのLys19とLys49をユビキチン化し^13,14、これによりプロテアソーム分解が生じてβ-カテニンレベルと活性の低下が誘導されます^15,16。反対に、Wnt結合が生じると、足場タンパク質のディシェベルド (Dvl)がFz-LRP5/6共受容体複合体へと補充され、破壊複合体を阻害する一連の分子シグナルを活性化して、リン酸化されていない細胞質ゾルのβ-カテニンとβ-カテニン依存性転写が安定化されます^2,3,17-19。CK-1αとGSK3の部分的阻害¹⁸、β-TrCPの阻害²⁰、LRP6の細胞内ドメインに存在する5つの高度に保存されたPPPSPモチーフのリン酸化^21,22（図１）と、続いて起こるこれらWntシグナル伝達タンパク質の凝集によって安定化されます。Wntの負の制御因子であるアキシンは、この凝集複合体へ運ばれ、直接結合して阻害されます^3,17。特筆すべきは、同一のPTMが修飾残基に応じてβ-カテニン活性を阻害したり促進したりすることができることです。たとえば、Lys394のユビキチン化によりβ-カテニンは安定化されます¹⁷。同様に、それぞれPKAによるSer675、AKTによるSer552、およびJNK2によるSer119/605のリン酸化によりβ-カテニンが安定化されます^23-25（図1）。アセチルトランスフェラーゼは複数のLys残基に作用しますが、それぞれのアセチル化により異なった方法でβ-カテニンの機能の役割や安定性が調節されます。たとえば、CBPによるLys49のアセチル化によりβ-カテニンの転写活性が阻害され²⁶、p300によるLys345のアセチル化によりβ-カテニンとTCFの相互作用が促進され²⁷、PCAFによるLys19とLys49のアセチル化によりβ-カテニンの安定性が上昇します²⁸。興味深いことに、チロシンリン酸化はβ-カテニン活性を促進するだけのようです¹⁷。

Wntシグナル伝達におけるTFC/LEF-1の翻訳後修飾

TCFとLEF-1は、CtBP、HBP１、β-カテニンといった補助因子と共に多量体の転写複合体を形成し、共に機能して遺伝子発現を抑制または活性化します^29,30。TCF/LEF-1と共調節因子間の結合親和性は各タンパク質のそれぞれのPTM状態に著しく影響を受けます（図1）。TCFは複数のThr/Ser残基においてリン酸化されますが、それぞれ対抗する機能効果を示します。たとえば、TNKキナーゼによるTCFのSer154におけるリン酸化は自身の転写活性に必要ですが³、Nemo様キナーゼ (NLK) によるThr178やThr189のリン酸化ではTCF/DNA結合が阻害され自身の転写活性が抑制されます³¹。NLKによるTCFのリン酸化はTCFのユビキチン化にも関連付けられています。LEF-1はNLKによるThr155とSer166がリン酸化され、これによりTCF/LEF-1/ β-カテニン複合体のDNA結合が阻害されます³。逆に、CK-1によるSer42とSer61のリン酸化によりβ-カテニン結合とトランス活性化が促進されます³²。E3リガーゼであるMLK関連リングフィンガータンパク質(NARF) は、in vitroとin vivoにおいてTCF/LEF-1をユビキチン化し、これによりTCF/LEF-1分解へと誘導されます³³。TCFとLEF-1は何れもPIASyによるSUMO化を経ますが、機能的な結果は大きく異なります。TCFのLys297におけるSUMO化により活性促進が得られ³⁴、一方でLEF-1のLys25とLys267残基におけるSUMO化では活性の失活が生じます³⁵。

まとめ

全てではないとしてもほとんどのタンパク質と同様に、Wntシグナル伝達因子であるβ-カテニンやその共転写制御因子であるTCFやLEF-1は複数のPTMにより制御されています。さらに、同一のPTMでも修飾される残基が異なる場合、活性が促進されたり阻害されたりします。その上、PTMは共同的であったり相互排他的であったりします。このような細胞のプロテオームにおける複雑で多様な機能制御を研究するためには、高い精度の定量的な試薬が必要となります。Cytoskeleton社では、PTMがどのようにタンパク質局在化と機能を制御しているか見識を深めるために、内在性タンパク質のチロシンリン酸化、ユビキチン化、SUMO化、アセチル化を測定できるSignal Seeker™タンパク質濃縮キットをご用意しております。

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