p21活性化キナーゼ1をコードするPAK1の活性化変異は神経発達障害を引き起こす

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Am. J. Hum. Genet..2018 10;103(4):579-591. S0002-9297(18)30316-1. doi: 10.1016/j.ajhg.2018.09.005.

p21活性化キナーゼ1をコードするPAK1の活性化変異は神経発達障害を引き起こす

Activating Mutations in PAK1, Encoding p21-Activated Kinase 1, Cause a Neurodevelopmental Disorder.

Frederike L Harms
Katja Kloth
Annette Bley
Jonas Denecke
René Santer
Davor Lessel
Maja Hempel
Kerstin Kutsche

PMID: 30290153 PMCID: PMC6174322. DOI: 10.1016/j.ajhg.2018.09.005.

抄録

p21-活性化キナーゼ（PAK）は、CDC42とRACのエフェクターとして作用するセリン/スレオニンタンパク質キナーゼであり、RHOファミリーの小型GTPaseのメンバーである。PAK1のキナーゼ活性はホモ二量体化によって自己抑制され、CDC42やRAC1との結合は二量体の解離によってPAK1の活性化を引き起こす。PAK1の主な機能は、アクチン細胞骨格の再編成、例えば、細胞の広がりに伴う細胞の突出活動の制御などである。発達遅延、二次性大頭症、痙攣、失調性歩行を有する2名の無関係者を対象に、de novo PAK1変異c.392A>G (p.Tyr131Cys)とc.1286A>G (p.Tyr429Cys)を報告した。一方の被験者の線維芽細胞ではPAK1の標的であるJNKとAKTのリン酸化が亢進していることが確認された。また、2名の被験者の線維芽細胞では、PAK1キナーゼ活性が亢進する傾向が観察された。共免疫沈降法とサイズ排除クロマトグラフィーを用いて、両PAK1変異体は野生型PAK1と比較して二量体化が有意に減少していることが観察された。これらのデータは、2つのPAK1変異体が活性化対立遺伝子として機能していることを示している。細胞拡散アッセイでは、被験者由来の線維芽細胞は、フィロポディアによって占有された細胞に有意な濃縮を示した。興味深いことに、PAK1阻害剤FRAX486を投与すると、この表現型は完全に逆転した。以上の結果から、優勢に作用する機能亢進型のPAK1変異は、PAK1のホモ二量体化欠損とキナーゼ活性亢進の複合的な効果により、頭囲の増加を伴う神経発達の表現型を引き起こすことが明らかになった。この状態は、RAC1とCDC42のミスセンス変異に関連した発達障害とともに、神経細胞の発達におけるRHO GTPaseメンバーとエフェクターの重要性を強調している。

p21-activated kinases (PAKs) are serine/threonine protein kinases acting as effectors of CDC42 and RAC, which are members of the RHO family of small GTPases. PAK1's kinase activity is autoinhibited by homodimerization, whereas CDC42 or RAC1 binding causes PAK1 activation by dimer dissociation. Major functions of the PAKs include actin cytoskeleton reorganization, for example regulation of the cellular protruding activity during cell spreading. We report the de novo PAK1 mutations c.392A>G (p.Tyr131Cys) and c.1286A>G (p.Tyr429Cys) in two unrelated subjects with developmental delay, secondary macrocephaly, seizures, and ataxic gait. We identified enhanced phosphorylation of the PAK1 targets JNK and AKT in fibroblasts of one subject and of c-JUN in those of both subjects compared with control subjects. In fibroblasts of the two affected individuals, we observed a trend toward enhanced PAK1 kinase activity. By using co-immunoprecipitation and size-exclusion chromatography, we observed a significantly reduced dimerization for both PAK1 mutants compared with wild-type PAK1. These data demonstrate that the two PAK1 variants function as activating alleles. In a cell spreading assay, subject-derived fibroblasts showed significant enrichment in cells occupied by filopodia. Interestingly, application of the PAK1 inhibitor FRAX486 completely reversed this cellular phenotype. Together, our data reveal that dominantly acting, gain-of-function PAK1 mutations cause a neurodevelopmental phenotype with increased head circumference, possibly by a combined effect of defective homodimerization and enhanced kinase activity of PAK1. This condition, along with the developmental disorders associated with RAC1 and CDC42 missense mutations, highlight the importance of RHO GTPase members and effectors in neuronal development.