Kinaza zależna od cyklin - Cyclin-dependent kinase

Kinaza zależna od cyklin
Identyfikatory
Nr WE 2.7.11.22
Bazy danych
IntEnz Widok IntEnz
BRENDA Wpis BRENDY
ExPASy Widok NiceZyme
KEGG Wpis KEGG
MetaCyc szlak metaboliczny
PRIAM profil
Struktury WPB RCSB PDB PDBe Suma PDB
Trzeciorzędowa struktura ludzkiego Cdk2 określona metodą krystalografii rentgenowskiej. Podobnie jak inne kinazy białkowe, Cdk2 składa się z dwóch płatów: mniejszego płata na końcu aminowym (góra), który składa się głównie z arkusza beta i helisy PSTAIRE, oraz dużego płata na końcu karboksylowym (na dole), który składa się głównie z alfa helisy. Podłoże ATP pokazano jako model kulki i sztyftu, umiejscowiony głęboko w szczelinie miejsca aktywnego pomiędzy dwoma płatami. Fosforany są skierowane na zewnątrz, w kierunku ujścia szczeliny, która jest blokowana w tej strukturze przez pętlę T (podświetloną na zielono). (PDB 1hck)
Schemat cyklu komórkowego. pierścień zewnętrzny: I = Interfaza , M = Mitoza ; pierścień wewnętrzny: M = Mitoza; G1 = Faza przerwy 1 ; S = Synteza ; G2 = Faza przerwy 2 .

Kinazy zależne od cyklin ( CDK ) to rodziny kinaz białkowych odkryte po raz pierwszy ze względu na ich rolę w regulacji cyklu komórkowego . Są również zaangażowane w regulację transkrypcji , przetwarzania mRNA i różnicowania komórek nerwowych. Są obecne we wszystkich znanych eukariontach , a ich funkcja regulacyjna w cyklu komórkowym została zachowana ewolucyjnie. W rzeczywistości komórki drożdży mogą normalnie proliferować, gdy ich gen CDK zostanie zastąpiony homologicznym genem ludzkim. CDK są stosunkowo małymi białkami o masach cząsteczkowych w zakresie od 34 do 40 kDa i zawierają niewiele więcej niż domenę kinazy . Z definicji CDK wiąże białko regulatorowe zwane cykliną . Bez cykliny CDK ma niewielką aktywność kinazy; tylko kompleks cyklina-CDK jest aktywną kinazą, ale jego aktywność może być typowo dalej modulowana przez fosforylację i inne białka wiążące, takie jak p27 . CDK fosforylują swoje substraty na serynie i treoninie, więc są kinazami serynowo-treoninowymi . Sekwencja konsensusowa dla miejsca fosforylacji aminokwasowej sekwencji podłoża CDK w [S / T *] PX [K / R], w którym grupa S / T * jest fosforylowany seryny lub treoniny , P oznacza prolinę , X jest jakimkolwiek amino kwas, K oznacza lizynę , a R oznacza argininę .

Rodzaje

Tabela 1: Znane CDK, ich partnerzy cyklin i ich funkcje u ludzi oraz konsekwencje delecji u myszy
CDK ! Partner cyklu Funkcjonować Usunięcie fenotypu u myszy
Cdk1 Cyklina B Faza M Nic
Cdk2 Cyklina E Przejście G1/S Zmniejszony rozmiar, nadany proliferacji neuronalnych komórek progenitorowych. Żywotne, ale zarówno samce, jak i samice są bezpłodne.
Cdk2 Cyklina A Faza S, faza G2
Cdk3 Cyklina C Faza G1 Brak wad. Żywe, płodne.
Cdk4 Cyklina D Faza G1 Zmniejszony rozmiar, cukrzyca z niedoborem insuliny. Żywotne, ale niepłodne zarówno dla mężczyzn jak i kobiet.

CDK i cykliny w cyklu komórkowym

Większość znanych kompleksów cyklina-CDK reguluje przebieg cyklu komórkowego . Komórki zwierzęce zawierają co najmniej dziewięć CDK, z których cztery, CDK1, 2, 3 i 4, są bezpośrednio zaangażowane w regulację cyklu komórkowego. W komórkach ssaków CDK1 wraz ze swoimi partnerami cykliną A2 i B1 może napędzać cykl komórkowy. Inna, CDK7, jest pośrednio zaangażowana jako kinaza aktywująca CDK. Kompleksy cyklina-CDK fosforylują substraty odpowiednie dla danej fazy cyklu komórkowego. Kompleksy cyklina-CDK we wcześniejszej fazie cyklu komórkowego pomagają aktywować kompleksy cyklina-CDK w późniejszej fazie.

Tabela 2: Cykliny i CDK według fazy cyklu komórkowego
Faza Cyklina CDK
G0 C Cdk3
G1 D, E Cdk4, Cdk2, Cdk6
S A, E Cdk2
G2 A Cdk2, Cdk1
m b Cdk1
Tabela 3: Kinazy zależne od cykliny, które kontrolują cykl komórkowy w organizmach modelowych
Gatunek Nazwa Oryginalne imię Wielkość (aminokwasy) Funkcjonować
Saccharomyces cerevisiae Cdk1 Cdc28 298 Wszystkie etapy cyklu komórkowego
Schizosaccharomyces pombe Cdk1 Cdc2 297 Wszystkie etapy cyklu komórkowego
muszka owocowa Cdk1 Cdc2 297 m
Cdk2 Cdc2c 314 G1/S, S, ewentualnie M
Cdk4 CDK4/6 317 G1, promuje wzrost
Xenopus laevis Cdk1 Cdc2 301 m
Cdk2 297 S, ewentualnie M
Homo sapiens Cdk1 Cdc2 297 m
Cdk2 298 G1, S, ewentualnie M
Cdk4 301 G1
Cdk6 326 G1

Lista CDK z ich białkiem regulatorowym, cykliną lub innym:

Regulacja działalności

Poziomy CDK pozostają względnie stałe przez cały cykl komórkowy, a większość regulacji ma charakter posttranslacyjny. Większość wiedzy na temat struktury i funkcji CDK opiera się na CDK S. pombe (Cdc2), S. cerevisiae (CDC28) i kręgowców (CDC2 i CDK2). Cztery główne mechanizmy regulacji CDK to wiązanie cykliny, fosforylacja CAK , regulacyjna fosforylacja hamująca i wiązanie podjednostek hamujących CDK (CKI).

Wiązanie cyklin

Miejscem aktywnym lub miejscem wiązania ATP wszystkich kinaz jest szczelina pomiędzy małym płatem na końcu aminowym a większym płatem na końcu karboksylowym. Struktura ludzkiego Cdk2 ujawniła, że ​​CDK mają zmodyfikowane miejsce wiązania ATP, które może być regulowane przez wiązanie cykliny. Fosforylacja przez kinazę aktywującą CDK (CAK) przy Thr 161 w pętli T zwiększa aktywność kompleksu. Bez cykliny elastyczna pętla zwana pętlą aktywacyjną lub pętlą T blokuje szczelinę, a położenie kilku kluczowych reszt aminokwasowych nie jest optymalne dla wiązania ATP. W przypadku cykliny dwie alfa helisy zmieniają położenie, aby umożliwić wiązanie ATP. Jedna z nich, helisa L12, która pojawia się tuż przed pętlą T w sekwencji pierwszorzędowej, staje się nicią beta i pomaga zmienić pętlę T, dzięki czemu nie blokuje już miejsca aktywnego. Druga alfa helisa, zwana helisą PSTAIRE, przestawia się i pomaga zmienić pozycję kluczowych reszt aminokwasowych w miejscu aktywnym.

Cyklina wiąże się z CDK w znacznej swoistości. Ponadto wiązanie cykliny determinuje specyficzność kompleksu cyklina-CDK dla poszczególnych substratów. Cykliny mogą bezpośrednio wiązać substrat lub lokalizować CDK w obszarze subkomórkowym, w którym znajduje się substrat. Swoistość wobec substratu cyklin S jest nadawana przez hydrofobową partię (wyśrodkowaną na sekwencji MRAIL), która ma powinowactwo do białek substratowych zawierających hydrofobowy motyw RXL (lub Cy). Cyklina B1 i B2 mogą lokalizować Cdk1 odpowiednio do jądra i aparatu Golgiego poprzez sekwencję lokalizacji poza regionem wiążącym CDK.

Fosforylacja

Samo wiązanie cykliny powoduje częściową aktywację Cdk, ale całkowita aktywacja wymaga również aktywacji fosforylacji przez CAK. W komórkach zwierzęcych CAK fosforyluje podjednostkę Cdk dopiero po związaniu cykliny, jak pokazano tutaj. Pączkujące drożdże zawierają inną wersję CAK, która może fosforylować Cdk nawet przy braku cykliny, a zatem dwa etapy aktywacji mogą wystąpić w dowolnej kolejności.

Pełna aktywność kinazy wymaga aktywującej fosforylacji na treoninie sąsiadującej z miejscem aktywnym CDK . Tożsamość kinazy aktywującej CDK (CAK), która dokonuje tej fosforylacji, różni się w organizmach modelowych. Zmienia się również czas tej fosforylacji. W komórkach ssaków aktywująca fosforylacja następuje po związaniu cykliny. W komórkach drożdży występuje przed wiązaniem cykliny. Aktywność CAK nie jest regulowana przez znane szlaki cyklu komórkowego, a wiązanie cykliny jest etapem ograniczającym aktywację CDK.

W przeciwieństwie do fosforylacji aktywującej, fosforylacja hamująca CDK jest niezbędna do regulacji cyklu komórkowego. Różne kinazy i fosfatazy regulują stan ich fosforylacji. Jedną z kinaz, które umieszczają fosforan tyrozyny jest Wee1 , kinaza konserwowana u wszystkich eukariontów. Drożdże rozszczepialne zawierają również drugą kinazę Mik1, która może fosforylować tyrozynę. Kręgowce zawierają inną drugą kinazę zwaną Myt1, która jest powiązana z Wee1, ale może fosforylować zarówno treoninę, jak i tyrozynę. Fosfatazy z rodziny Cdc25 defosforylują zarówno treoninę, jak i tyrozynę.

Inhibitory CDK

Inhibitorem kinaz zależnych od cyklin (CKI) jest białkiem, które oddziałuje z kompleksem cyklina-CDK blokowanie aktywności kinazy, zazwyczaj w G1 lub w odpowiedzi na sygnały płynące z otoczenia lub z uszkodzonym DNA. W komórkach zwierzęcych istnieją dwie główne rodziny CKI: rodzina INK4 i rodzina CIP/KIP . Białka z rodziny INK4 są ściśle hamujące i wiążą monomery CDK. Struktury krystaliczne kompleksów CDK6-INK4 pokazują, że wiązanie INK4 skręca CDK, zniekształcając wiązanie cykliny i aktywność kinazy. Białka z rodziny CIP/KIP wiążą zarówno cyklinę, jak i CDK kompleksu i mogą działać hamująco lub aktywująco. Białka z rodziny CIP/KIP aktywują kompleksy cykliny D i CDK4 lub CDK6 poprzez zwiększenie tworzenia kompleksów.

U drożdży i Drosophila CKI są silnymi inhibitorami S- i M-CDK, ale nie hamują G1/S-CDK. Podczas G1 wysokie poziomy CKI zapobiegają występowaniu zdarzeń cyklu komórkowego poza kolejnością, ale nie uniemożliwiają przejścia przez punkt kontrolny Start, który jest inicjowany przez G1/S-CDK. Po zainicjowaniu cyklu komórkowego fosforylacja przez wczesne G1/S-CDK prowadzi do zniszczenia CKI, łagodząc hamowanie późniejszych przejść cyklu komórkowego. W komórkach ssaków regulacja CKI działa inaczej. Ssacze białko p27 (Dacapo u Drosophila) hamuje G1/S- i S-CDK, ale nie hamuje S- i M-CDK.

W oparciu o wyniki dokowania molekularnego, ligandy 3, 5, 14 i 16 zostały przeszukane wśród 17 różnych związków benzosuberenowych skondensowanych z pirolonem jako silne i specyficzne inhibitory bez jakiejkolwiek reaktywności krzyżowej z różnymi izoformami CDK. Analiza symulacji MD i badań MM-PBSA ujawniła profile energii wiązania wszystkich wybranych kompleksów. Wybrane ligandy działały lepiej niż kandydat na lek eksperymentalny (Roscovitine). Ligandy-3 i 14 wykazują specyficzność wobec CDK7, a ligandy-5 i 16 były specyficzne wobec CDK9. Oczekuje się, że te ligandy będą miały mniejsze ryzyko skutków ubocznych ze względu na ich naturalne pochodzenie.

Interpretacja symulacji dynamicznych i badania swobodnej energii wiązania ujawniły, że Ligand2 (z 17 wewnętrznie zsyntetyzowanych związków benzosuberenu skondensowanego z pirolonem (PBS)) ma stabilną i równoważną energię wolną do inhibitorów Flavopiridol, SU9516 i CVT-313. Ligand2 zbadany jako selektywny inhibitor CDK2 bez wiązania poza celem (CDK1 i CDK9) w oparciu o wydajność liganda i powinowactwo wiązania.

Graficzny streszczenie CDK2

Suk1 lub Cks

CDK bezpośrednio zaangażowane w regulację cyklu komórkowego wiążą się z małymi, 9-13-kilogramowymi białkami zwanymi Suk1 lub Cks . Białka te są wymagane do funkcjonowania CDK, ale ich dokładna rola jest nieznana. Cks1 wiąże płat karboksylowy CDK i rozpoznaje reszty fosforylowane. Może pomóc kompleksowi cyklina-CDK z substratami, które mają wiele miejsc fosforylacji, zwiększając powinowactwo do substratu.

Aktywatory niecyklinowe

Cykliny wirusowe

Wirusy mogą kodować białka o homologii sekwencji do cyklin. Jednym z wielu zbadanych przykładów jest K-cyklina (lub v-cyklina) z wirusa opryszczki mięsaka Kaposiego (patrz mięsak Kaposiego ), który aktywuje CDK6. Wirusowe kompleksy cyklina-CDK mają różną specyficzność substratową i czułość regulacji.

Aktywatory CDK5

Białka p35 i p39 aktywują CDK5. Chociaż brakuje im homologii sekwencji cyklin, struktury krystaliczne pokazują, że p35 fałduje się w podobny sposób jak cykliny. Jednak aktywacja CDK5 nie wymaga fosforylacji w pętli aktywacyjnej.

RINGO/Speedy

Białka bez homologii z rodziną cyklin mogą być bezpośrednimi aktywatorami CDK. Jedną z rodzin takich aktywatorów jest rodzina RINGO/Speedy, która została pierwotnie odkryta w Xenopus. Wszystkie pięć odkrytych do tej pory członków bezpośrednio aktywuje Cdk1 i Cdk2, ale kompleks RINGO/Speedy-CDK2 rozpoznaje inne substraty niż kompleks cyklina A-CDK2.

Historia

Leland H. Hartwell , R. Timothy Hunt i Paul M. Nurse otrzymali w 2001 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za pełny opis mechanizmów cyklin i kinaz zależnych od cyklin, które są kluczowe w regulacji cyklu komórkowego.

Znaczenie medyczne

Choroby CDK

Jako cele narkotykowe

CDK są uważane za potencjalny cel leków przeciwnowotworowych. Jeśli możliwe jest selektywne przerwanie regulacji cyklu komórkowego w komórkach nowotworowych poprzez ingerencję w działanie CDK, komórka umrze. Obecnie niektóre inhibitory CDK, takie jak seliciclib, są w trakcie badań klinicznych. Mimo że został pierwotnie opracowany jako potencjalnego leku przeciwnowotworowego, seliciclib również okazały się indukować apoptozę w granulocytów obojętnochłonnych , które pośredniczą zapalnych . Oznacza to, że można by opracować nowe leki do leczenia przewlekłych chorób zapalnych, takich jak zapalenie stawów i mukowiscydoza .

Flavopiridol ( alvocidib ) jest pierwszym inhibitorem CDK testowanym w badaniach klinicznych po zidentyfikowaniu go w badaniu przesiewowym środków przeciwnowotworowych w 1992 roku. Konkuruje o miejsce ATP w CDK. Palbocyklib i abemacyklib zostały zatwierdzone do leczenia receptorów hormonalnych (receptor estrogenowy/receptor progestagenowy) wyrażający przerzutowego raka piersi w połączeniu z terapią hormonalną.

Wymagane są jednak dalsze badania, ponieważ zakłócenie szlaku, w którym pośredniczy CDK, ma potencjalnie poważne konsekwencje; chociaż inhibitory CDK wydają się obiecujące, należy ustalić, w jaki sposób można ograniczyć skutki uboczne, tak aby dotyczyły tylko komórek docelowych. Ponieważ takie choroby są obecnie leczone glikokortykosteroidami , które często mają poważne skutki uboczne, nawet niewielki sukces byłby poprawą.

Powikłania związane z opracowaniem leku CDK obejmują fakt, że wiele CDK nie jest zaangażowanych w cykl komórkowy, ale inne procesy, takie jak transkrypcja, fizjologia neuronalna i homeostaza glukozy.

Leki z grupy inhibitorów kinaz zależnych od cyklin
Narkotyk Zablokowane CDK
Flavopiridol ( alvocidib ) 1, 2, 4, 6, 7, 9
Ołomucyna 1, 2, 5
Roskowityna ( Seliciclib ) 1, 2, 5, 7, 9
Purwalanol 1, 2, 5
Paulones 1, 2, 5
Butryolakton 1, 2, 5
Palbocyklib 4, 6
Tio/ oksoflawopirydole 1
Oksindole 2
Fadracyklib 2, 9
Aminotiazole 4
Benzokarbazole 4
Pirymidyny 4

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Loyer P, Trembley JH, Katona R, Kidd VJ, Lahti JM (wrzesień 2005). „Rola kompleksów CDK/cyklina w transkrypcji i splicingu RNA”. Sygnalizacja komórkowa . 17 (9): 1033–51. doi : 10.1016/j.cellsig.2005.02.005 . PMID  15935619 .

Zewnętrzne linki