続・生物学茶話３０１：低分子量Gタンパク質 Ｒａｓ その１

Ｒａｓはいわゆる低分子量Ｇタンパク質のひとつです。ＧＴＰと結合・代謝するからＧタンパク質というわけですから、ＡＴＰと結合・代謝するのはＡタンパク質と言うかというとそんなことはありません。それらは普通にＡＴＰase と呼ばれています。理由としては、Ｇタンパク質はＧＴＰaseではあるのですが、ＧＴＰあるいは代謝されたＧＤＰと結合していること自体に代謝より重要な意味があるから・・・ということになっています。

Ｇタンパク質には２つのグループがあって、ひとつは膜７回貫通受容体とセットになっているヘテロ３量体のグループ（≒１００ｋＤａ）、いまひとつは単一ペプチド鎖で低分子量Ｇタンパク質といわれているグループ（２０～３０ｋＤａ）です。ここでとりあげるＲａｓは後者に属します。Ｒａｓは Rat sarcoma という言葉にルーツがあり、もともと過剰に発現すると細胞の癌化を誘導することから主として癌の分野で研究されていましたが、現在では Rasopathies という言葉が存在するように、Ｒａｓの変異による脳の病気が数多く見つかり、脳科学分野でもさまざまな研究が行われています。この病気は高い確率で知的障害や自閉症スペクトラム障害をともない、１０００人の新生児についてひとりが発症するというかなり発生頻度の高い遺伝子疾患であることが知られています（１）。

Ｒａｓタンパク質の構造は図３０１－１のようにＮ末からの大部分を占める保存的なＧドメインと、Ｃ末近傍の短いハイパーバリアブルな領域（ＨＶ領域）からなります。ＧドメインはＧＴＰと結合し代謝する、あるいは代謝産物であるＧＤＰと結合するのが主な役割です（２、３）。青い部分は直接ＧＴＰ・ＧＤＰ・マグネシウムイオンとかかわる領域です。ＨＶ領域は脂質と結合するための領域であり、細胞内の様々な構造とのかかわりを規定する領域で、この部分の相違によって異なる役割を持つことが可能な複数のアイソフォームが存在します。ヒトの場合は図３０１－１に示された４種類（Ｈ－Ｒａｓ、Ｎ－Ｒａｓ、Ｋ－Ｒａｓ４Å、Ｋ－Ｒａｓ４Ｂ）になります。

図３０１－１　Ｒａｓタンパク質の構造

Ｒａｓファミリーの場合 ＧＤＩ/ＧＤＦ （ＧＤＰ解離阻害因子/ＧＤＰ置換因子）による制御はあまり受けないようですが、多くの低分子量Ｇタンパク質はこれらによる制御を受けます。すなわちＧＤＰと結合した不活性型のＧタンパク質はＧＤＩ（ＧＤＰ解離阻害因子）によって通常は安定化されており、ＧＤＦ（ＧＤＩ置換因子）の作用によって活性化プロセスに入り得る形となり、さらにＧＤＰ/ＧＴＰ交換因子の働きによってＧＴＰ結合型（活性型）になります（２、図３０１－２）。このシステムは菊池章らによって見つけられたもので、その経緯は文献（４）に記してあります。Ｒａｓはこのような２段階制御ではなく、ＧＤＰ/ＧＴＰ交換因子（ＧＥＦ）およびＳｙｎＧＡＰ（５）などのＧＴＰase活性化タンパク質によってシンプルに制御されているようです。

図３０１－２　低分子量Ｇタンパク質の制御機構

ＧＥＦの結合によって基質（たとえばＧＤＰ型Ｒａｓ）からのＧＤＰの解離が触媒され、その位置にＧＴＰ分子が結合します。通常酵素は基質と結合して分解すると生成物は離れるわけですが、低分子量Ｇタンパク質は基質（ＧＴＰ）を分解しても、生成物であるＧＤＰは離れていかないで酵素に結合したままなのです。これを引きはがすにはＧＥＦが必要で、ＧＥＦが働くとＧＤＰが解離しＧＴＰが酵素に結合します（通常ＧＴＰ濃度＞ＧＤＰ濃度）。そして結合したＧＴＰは自動的には代謝されず（反応速度が非常に遅い）、酵素＝Ｇタンパク質はＧＴＰを結合した状態で様々な生理作用を実行します（６）。低分子量Ｇタンパク質は基本的にはＧＴＰを結合している場合がＯＮの状態、ＧＤＰを結合している状態がＯＦＦの状態ですが、ＧＤＰを結合した状態で別の生理作用を実行する場合もあります（７、８）。

ＧＡＰ（ＧＴＰase活性化タンパク質）やＧＥＦ（ＧＤＰ/ＧＴＰ交換因子）の種類と、それぞれがターゲットとしている低分子量Ｇタンパク質の種類を図３０１－３にリストアップしました。

図３０１－３　ＧＴＰase活性化タンパク質（ＧＡＰ）とＧＤＰ/ＧＴＰ交換因子（ＧＥＦ）のターゲットとなる低分子Ｇタンパク質の一覧

ＧＡＰやＧＥＦの作用は通常それらの転写や翻訳の量によって制御されるのではなく、それらのリン酸化、Ｃａイオン/カルモデュリン/ｃＡＭＰの動向、あるいは存在場所の移動などによって迅速に制御されています。

Ｒａｓファミリーのタンパク質は通常細胞膜、ＥＲ、エンドソーム、ゴルジ体などの膜系に存在し、運搬や生理作用の実行も膜にトラップされた状態で行われます。Ｒａｓは細胞外から来たシグナルを細胞質に伝える役割を持っているので、このような局在になっているのでしょう。そのために行われるのがＣ末の疎水化です。Ｒａｓの場合Ｃ末はファルネシル化またはゲラニルゲラニル化されます（図３０１－４）。

ただしその方法はやや複雑で、まずＣ末の３つの残基が切り離され、Ｃ末から４番目のシステインのＳＨがファルネシル化またはゲラニルゲラニル化されます。その後修飾末端のピロリン酸がはずされ疎水化されます。さらにシステインのＣＯＯＨはメチル化され、ＲａｓのＣ末は徹底的に疎水化されて膜と結合しやすい構造になります（図３０１－４）。Ｒａｓは膜と結合していないとその機能を発揮できません（６、９）。

図３０１－４　低分子量Ｇタンパク質Ｃ末のプレニル化

膜係留型に加工されたＲａｓやＲａｐは活性化されると様々な情報伝達機能を発揮します。まず第１にＭＡＰＫ（mitogen-activated protein kinase)カスケードを起動します（６、１０、図３０１－５）。
カスケードというのは多くの場合タンパク質の加工の連鎖です。代表的なのはリン酸化です。たとえばＥＲＫもリン酸化酵素ですが、この酵素は核内に侵入して転写因子を活性化することができます。あるシナプスの活動を長期間活発化するためには、これまで述べてきたような受容体・構造タンパク質・調節タンパク質などの量を増加させることが必要で、転写の活性化はその基盤になります。ＲａｐはＲａｓの活動をカウンターとして制御するために必要と言われています（６）。

第２のカスケードはＰ１３Ｋ（フォスファチジルイノシトール３－キナーゼ）－Ａｋｔ（タンパク質キナーゼ）を経由するもので、この場合も活性化されたＡｋｔは核内に侵入して転写因子を活性化します。ウィキペディアをみるとＡｋｔの基質は〈myriad〉と書いてあるので（１１）、その機能の全貌をみるのは困難だと思われます。Ｒａｐ１もＡｋｔを活性化します（１２）。下段にＲｈｏが現れますが（図３０１－５　Type２）、Ｒｈｏは葉状仮足や糸状仮足の形成のキーファクターであるという報告があります（１３）。

第３のカスケードはＲａｓが間接的に他の低分子量Ｇタンパク質を活性化するというものですが、とりわけＲａｃはアクチンの細胞骨格形成（特に葉状仮足）に関与するという報告があります（１４）。

図３０１－５　低分子量Ｇタンパク質からの主要な情報伝達カスケード

Ｒａｓが記憶と深い関係にあることが最初に示されたのは、図３０１－３に記したＧＡＰ活性を持つニューロフィブロミンの遺伝子nf1に異常がある子供の多くに学習障害がみられることでした（１５）。
これらの突然変異体ではＲａｓ－ＧＴＰをＲａｓ－ＧＤＰにする能力が低下するので、活性化された状態のＲａｓが過剰になります。このことはnf1(+/-)の同病マウスモデルでも確認されました。興味深いことに空間認識には障害がでるのに、恐怖学習には障害が出ません。このことは前者を担当する海馬には関係があるのに、後者を担当するアミグダラ（扁桃体）には関係がないことを示唆しています（１６）。

Ｒａｓ－ＧＴＰが過剰であることが学習障害をまねくとすれば、その作用を減らすような操作、たとえばＲａｓのノックアウトマウス（+/-）やファルネシルトランスフェラーゼの阻害剤を投与することによってレスキューされることが期待できますが、実際にレスキューされることが実証されています（１７）。

ＳｙｎＧＡＰももちろんＧＡＰ活性を持っているので、ＳｙｎＧＡＰのノックアウトマウス（+/-）でも同様なことがおこるのでしょうか？ 小宮山らによれば予想どうり空間認識についての記憶障害がおこるそうです（１８）。

では逆にＧＥＦが減少してＲａｓ－ＧＴＰが不足すればどうなるのでしょうか？　Fasano らはＲａｓＧＲＦ1（-/-)マウスを作成して実験してみたところ、海馬に依存する空間認識の記憶は正常でしたが、アミグダラに依存する恐怖記憶は損なわれることがわかりました（１９、２０）。

参照文献

１）Katie E. Hebronm, Edjay Ralph Hernandez, Marielle E. Yohe, The RASopathies: from pathogenetics to therapeutic., Dis Model Mech (2022) 15 (2): dmm049107.,
https://doi.org/10.1242/dmm.049107
https://journals.biologists.com/dmm/article/15/2/dmm049107/274419/The-RASopathies-from-pathogenetics-to-therapeutics

２）脳科学辞典：低分子量Ｇタンパク質
https://bsd.neuroinf.jp/wiki/%E4%BD%8E%E5%88%86%E5%AD%90%E9%87%8FG%E3%82%BF%E3%83%B3%E3%83%91%E3%82%AF%E8%B3%AA

３）Wikipedia: Ras GTPase
https://en.wikipedia.org/wiki/Ras_GTPase

４）菊池章　転んでもただでは起きない ～失敗から学ぶ～
Journal of Japanese Biochemical Society vol.94(5): p.645 (2022)
doi:10.14952/SEIKAGAKU.2022.940645
https://seikagaku.jbsoc.or.jp/10.14952/SEIKAGAKU.2022.940645/

５）続・生物学茶話３００：神経細胞のアクチンとその周辺　８：ＳｙｎＧＡＰ
https://morph.way-nifty.com/grey/2026/04/post-82e651.html

６）Ye X, Carew TJ. Small G protein signaling in neuronal plasticity and memory formation: the specific role of ras family proteins. Neuron. 2010 Nov 4;68(3):340-61.
doi: 10.1016/j.neuron.2010.09.013.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3008420/

７）Michalak DJ, Unger B, Lorimer E, Grishaev A, Williams CL, Heinrich F, Lösche M. Structural and biophysical properties of farnesylated KRas interacting with the chaperone SmgGDS-558. Biophys J., vol.121(19): pp.3684-3697. (2022)
doi: 10.1016/j.bpj.2022.05.028.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35614853/

８）木村俊秀、山岡真美　ＧＤＰ型Ｇタンパク質シグナリング　生化学　第８５巻第１２号 pp.1079-1083 (2013)
https://www.jbsoc.or.jp/seika/wp-content/uploads/2014/07/85-12-06.pdf

９）A.M. Garcia, C. Rowell, K. Ackermann, J.J. Kowalczyk, M.D. Lewis, Peptidomimetic inhibitors of Ras farnesylation and function in whole cells., Journal of Biological Chemistry, vol.268, pp.18415-18418 (1993)
https://doi.org/10.1016/S0021-9258(17)46638-5.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021925817466385

１０）Wikipedia: Mitogen-activated protein kinase
https://en.wikipedia.org/wiki/Mitogen-activated_protein_kinase

１１）Wikipedia: Protein kinase B (=Akt)
https://en.wikipedia.org/wiki/Protein_kinase_B

１２）Yang Wang et al., Targeting the ARL4C/RAP1/PI3K-Akt-mTOR signaling loop promotes ARL4C ubiquitination and reverses oxaliplatin resistance in colorectal cancer., Theranostics, vol.16(1): pp.99-122.(2026) doi:10.7150/thno.117590
https://www.thno.org/v16p0099.htm

１３）Alan Hall, Rho GTPases and the Actin Cytoskeleton., Science vol.279, no.5350, pp.509-514 (1998) DOI: 10.1126/science.279.5350.509
https://www.science.org/doi/10.1126/science.279.5350.509

１４）Toshifumi Fukuda, Kazutoshi Kiuchi, Masahide Takahashi, Novel Mechanism of Regulation of Rac Activity and Lamellipodia Formation by RET Tyrosine Kinase, Journal of Biological Chemistry, vol.277, pp.19114-19121 (2002)
https://doi.org/10.1074/jbc.M200643200.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021925820852016

１５）North, K.N., Riccardi, V., Samango-Sprouse, C., Ferner, R., Moore, B., Legius, E., Ratner, N., and Denckla, M.B., Cognitive function and academicperformance in neurofibromatosis. 1: consensus statement from the NF1 Cognitive Disorders Task Force. Neurology vol.48, pp.1121–1127.(1997)
https://doi.org/10.1212/WNL.48.4.1121
https://www.neurology.org/doi/10.1212/wnl.48.4.1121

１６）Silva, A.J., Frankland, P.W., Marowitz, Z., Friedman, E., Laszlo, G.S., Cioffi, D., Jacks, T., Bourtchuladze, R., and Lazlo, G., A mouse model for the learning and memory deficits associated with neurofibromatosis type I., Nat. Genet. vol.15, pp.281–284. (1997)
https://doi.org/10.1038/ng0397-281
https://www.nature.com/articles/ng0397-281

１７）Costa, R.M., Federov, N.B., Kogan, J.H., Murphy, G.G., Stern, J., Ohno, M., Kucherlapati, R., Jacks, T., and Silva, A.J., Mechanism for the learningdeficits in a mouse model of neurofibromatosis type 1. Nature vol.415, pp.526–530. (2002)
https://doi.org/10.1038/nature711
https://www.nature.com/articles/nature711

１８）Komiyama, N.H., Watabe, A.M., Carlisle, H.J., Porter, K., Charlesworth, P., Monti, J., Strathdee, D.J., O’Carroll, C.M., Martin, S.J., Morris, R.G., et al.,SynGAP regulates ERK/MAPK signaling, synaptic plasticity, and learning in the complex with postsynaptic density 95 and NMDA receptor., J. Neurosci. 22, 9721–9732. (2002)
https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.22-22-09721.2002
https://www.jneurosci.org/content/22/22/9721

１９）Brambilla, R., Gnesutta, N., Minichiello, L., White, G., Roylance, A.J., Herron,C.E., Ramsey, M., Wolfer, D.P., Cestari, V., Rossi-Arnaud, C., et al., A role for the Ras signalling pathway in synaptic transmission and long-term memory. Nature vol.390, pp.281–286., (1997)
https://doi.org/10.1038/36849
https://www.nature.com/articles/36849

２０）Fasano, S., D’Antoni, A., Orban, P.C., Valjent, E., Putignano, E., Vara, H., Pizzorusso, T., Giustetto, M., Yoon, B., Soloway, P., et al., Fasano, S., D’Antoni, A., Orban, P.C., Valjent, E., Putignano, E., Vara, H.,Pizzorusso, T., Giustetto, M., Yoon, B., Soloway, P., et al., Ras-guanine nucleotide-releasing factor 1 (Ras-GRF1) controls activation of extracellular signal-regulated kinase (ERK) signaling in the striatum and long-term behavioral responses to cocaine. Biol. Psychiatry vol.66, pp.758–768. (2009)
https://doi: 10.1016/j.biopsych.2009.03.014.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2910545/