A Biology of p38 Kinase

p38 MAPKシグナル経路は10年以上前に最初に特定されて以来、生物学で最も激しく研究されているテーマの1つである。 この経路に対する関心の高さは、主に2つの要因によってもたらされてきた。 第一に、このシグナル伝達経路は様々な刺激によって活性化され、多くの疾患、特に炎症に関与していることである。 第二に、選択的なp38阻害剤が早くから利用可能になったことで、プロテインキナーゼがシグナル伝達経路で果たす役割をさらに解明するために必要な重要なツールと、p38阻害の治療の可能性を追求する手段が得られたことである。 実際、過去5年間に多くのp38阻害剤が臨床試験に入っている。

p38MAPキナーゼが発見されたとき、MAPキナーゼファミリーの最初のメンバーである細胞外シグナル制御キナーゼ（ERK）はすでに同定されていた。 しかし、二重特異性スレオニン/チロシンキナーゼのサブファミリー（p38とJNK）がさらに2つ存在することは認識されていなかった。 1994年、いくつかの研究グループが独立して新規のキナーゼ活性を同定し（Freshneyら、1994；Hanら、1994；Rouseら、1994；）、続いてヒトcDNAのクローニングによりp38 αの同定に至った（Leeら、1994；）。 その後まもなく、p38ファミリーの他の3つのスプライスバリアント、p38β、P38y、およびp38hが同定された（Jiangら、1996、Jiangら、1997、Kumarら、1997）。 このファミリーの2つのメンバー、p38αとβは、ユビキタスに発現しているが、異なる細胞種で異なる制御を受けており、他の2つは組織分布がより限定的である。 現在までのところ、多くの疾患に関与しているp38αは、このファミリーのメンバーとして最もよく理解されている（Kumarら、2003およびSaklatvala、2004にレビューあり）。 酵母、ミミズ、カエルのp38αのオルソログは、浸透圧調節、ストレス応答、細胞周期の調節に関与しているとされている。 哺乳類細胞におけるp38αの制御もよく研究されている（Zarubin and Han, 2005に総説あり）。 現在では、p38αシグナル伝達経路は複雑で、刺激や細胞の種類だけでなく、様々な制御因子や上流の活性化キナーゼの組み合わせによって影響を受けることが明らかとなっている。 p38αの上流活性化キナーゼには、主にMKK3とMKK6の2つがあることはよく知られている。 さらに、トランスフォーミング増殖因子活性化プロテインキナーゼ1（TAK1）-結合タンパク質（TAB）が関与するMKKに依存しないp38αの活性化機構が存在する（Ge et al.、2002）。 p38αの活性化は、TAB1との相互作用の後、自己リン酸化されることによって達成され得る。 また、p38はTAB1をリン酸化することにより、TAK1シグナルを負に制御することが示唆されている（Cheungら、2003）。 TAK1シグナルの下流には、Tpl2キナーゼとその下流の標的であるMEK1およびERKの必須の活性化段階として機能するIKKがある（Waterfieldら、2004年）。 したがって、p38の阻害はTAK1のアップレギュレーションをもたらし、それがERKの活性化につながるのである。 このことは、p38α阻害剤で処理した細胞でERKの活性化が頻繁に観察される理由を説明するものである。 この発見は、キナーゼシグナル伝達経路間の潜在的な非線形クロストークを理解する必要性を強調するものである。 TAK1とは別に、他の上流キナーゼ（MAP3K）も、p38αとその近傍のJNKの活性化に関与していることが示唆されている。 また、Rac1やCdc42などの小さなGTP結合タンパク質や、PAK（p21-activated kinases）やMLK1との相互作用も活性化プロセスに寄与している。

p38MAPキナーゼの下流の基質はMAPKAPK2 (Kotlyarov et al, 2002）、MAPKAPK3（McLaughlinら、1996）があり、これらは様々な基質-小型熱ショックタンパク質27（HSP27）、リンパ球特異的タンパク質1（LSP1）、cAMP応答要素結合タンパク質（CREB）、転写因子（ATF1）、SRF、チロシンヒドロキシラーゼなど-のリン酸化をおこなう。 特に興味深いのは、MAPKAPK2の基質であるトリテトラプロリンで、mRNAを不安定にするタンパク質である（Tchenら、2004年）。 MNKは、eIF-4Eをリン酸化することから、翻訳開始に関与していると思われるもう一つのp38基質である（Waskewiczら、1997）。 さらに、p38活性化キナーゼ（PRAK）およびマイトジェン・ストレス活性化プロテインキナーゼ（MSK1）もp38αによって活性化されることが知られているが、MSK1はERKによっても活性化される（Deakら、1998年）。 驚くべきことではないが、p38によって制御される多数の転写因子が存在する（ZarubinおよびHan、2005に総説あり）。 いくつかの例は、活性化転写因子1、2、および6、SRFアクセサリータンパク質（Sap1）、GADD153、p53、c／EBPb、筋細胞強化因子2C（MEF2C）、MEF2A、DIT3、ELK1、NFATおよび高移動度グループ-ボックスタンパク質（HBP1）などがある。 また、cPLA1、Na+/H+交換体アイソフォーム-1（NHE-1）、タウ、ケラチン8、スタスミンなどの他の無関係なタンパク質もp38αの基質であることが示されている。

p38MAPキナーゼ阻害剤が炎症性サイトカインの発現を抑制する機構は、これまで不明であった。 炎症性遺伝子の発現は、転写レベル、転写後レベルの両方で高度に制御されている。 ヒト単球を用いたp38阻害剤の効果を検討した初期の研究では、炎症性サイトカイン（主にIL-1とTNF）の生合成の制御は転写後レベルで起こっていることが示唆された。 その後、mRNAの安定性がp38経路の阻害により悪影響を受けることが明らかになった（Frevelら、2003年）。 この観察は、COX-2などの他の炎症反応タンパク質が同様の方法で影響を受けることを示す、さらなる研究を促した（Lasa et al.、2000）。 p38によって安定化される他のmRNAには、MIP-1a、gm-CSF、VEGF、およびMMP-1と-3が含まれる（Deanら、2004年）。 興味深いことに、p38の基質であるMAPKAPK-2もまた、p38によるmRNAの安定化に関与しています。 触媒的に活性な形態のMAPKAPK-2はレポーターmRNAを安定化し、一方、ドミナントネガティブMAPKAPK-2はその発現をブロックする（Winzenら、1999）。

mRNA安定性に影響を及ぼす構造的特徴の共通点は、拡張3UTR中のAUリッチモチーフである。 このモチーフは、ShawおよびKamen（1986）により最初に記述された。 一つは少数のARE（c-Fosなど）、二つ目は複数のペンタマーを持つ多数のARE（TNFα、COX-2など）、三つ目はペンタマーを持たず、U-リッチ領域を持つAREである。 これらの ARE は mRNA を標的として、細胞内で速やかに deadenylation を行う。 一般に、p38制御のAREは、3′UTRsに複数の重なり合ったペンタマーを持つ類似の構造モチーフを持つ。 しかし、MMP-1と-3 (Reunanen et al., 2002) とtristetraprolin (Mahtani et al., 2001, Tchen et al., 2004) のように、少なくとも一つの5量体を含むmRNA、およびUリッチ配列は例外である。 p38がmRNAの安定性を制御する正確なメカニズムは、まだ不明である。 下流のキナーゼであるMAPKAPK-2や、捉えどころのないARE結合タンパク質が関与していると考えられている。 多くの候補があるが（Dean et al., 2004）、p38経路とAREを含むmRNAを結びつけるタンパク質としての条件を全て満たすものはない。 これらのうち、tristetraprolinは、主にmRNAの安定化における「オフスイッチ」として機能するが、興味深い可能性である。 現在では、IL-12とIL-18に応答して、Th1エフェクターT細胞でp38経路が選択的に活性化されることが知られている。 インターフェロンガンマなどのTh1サイトカインの産生はp38阻害剤によって抑制されるが、Th2サイトカインであるIL-4の産生は抑制されない。 マクロファージでは、TNF、IL-1、IL-6、IL-8など多くの炎症性サイトカインがp38経路で制御されている。 MKK3ノックアウトマウス胚線維芽細胞はTNFに反応するが、IL-1、UV、ソルビトールには反応しないことから、MKK3がTNFに役割はあるが、IL-1の作用にはないことが示された。 しかし、p38αノックアウトマウス胚線維芽細胞では、IL-1によるIL-6の産生が著しく損なわれている。 これらのデータは、異なるリガンドがp38経路の異なるキナーゼの機能を引き出すことを示唆している。 遺伝学的およびin vivo薬理学的な多くの証拠とともに、これらの結果は、p38が有効な標的であり、その阻害が様々な炎症性疾患、特に関節リウマチに治療効果をもたらす可能性を支持している（Foster et al.、2000）。 その他の薬理学的介入の可能性としては、心肥大、アルツハイマー病、血管損傷、乾癬、炎症性腸疾患などがある。