Cyklinberoende kinas - Cyclin-dependent kinase

Tertiär struktur av humant Cdk2, bestämt med röntgenkristallografi. Liksom andra proteinkinaser består Cdk2 av två lober: en mindre aminoterminal lob (överst) som huvudsakligen består av beta-blad och PSTAIRE-helixen och en stor karboxiterminal lob (botten) som främst består av alfa spiraler. ATP-substratet visas som en boll-och-stick-modell, som ligger djupt inne i klyftan mellan aktiva platser mellan de två loberna. Fosfaterna orienteras utåt mot klyftans mynning, som blockeras i denna struktur av T-öglan (markerad med grönt). (PDB 1hck)

Schematisk cellcykel. yttre ring: I = gränssnitt , M = mitos ; innerring: M = Mitos; G1 = Gapfas 1 ; S = Syntes ; G2 = Gapfas 2 .

Cyklinberoende kinaser ( CDK ) är familjerna av proteinkinaser som först upptäcktes för deras roll i reglering av cellcykeln . De är också involverade i reglering av transkription , mRNA -bearbetning och differentiering av nervceller. De finns i alla kända eukaryoter , och deras reglerande funktion i cellcykeln har bevarats evolutionärt. Faktum är att jästceller kan föröka sig normalt när deras CDK -gen har ersatts med den homologa humana genen. CDK är relativt små proteiner, med molekylvikter från 34 till 40 kDa, och innehåller lite mer än kinasdomänen . Per definition binder en CDK ett reglerande protein som kallas ett cyklin . Utan cyklin har CDK liten kinasaktivitet; endast cyklin-CDK-komplexet är ett aktivt kinas men dess aktivitet kan typiskt moduleras ytterligare genom fosforylering och andra bindande proteiner, som p27 . CDK fosforylerar sina substrat på seriner och treoniner, så de är serintreoninkinaser . Den konsensussekvens för fosforylering ställe i aminosyrasekvensen av en CDK substratet är [S / T *] PX [K / R], där S / T * är den fosforylerade serin eller treonin , P är prolin , X är vilken amino- syra, K är lysin och R är arginin .

Typer

CDK och cykliner i cellcykeln

De flesta av de kända cyklin-CDK-komplexen reglerar utvecklingen genom cellcykeln . Djurceller innehåller minst nio CDK, varav fyra, CDK1, 2, 3 och 4, är direkt involverade i cellcykelreglering. I däggdjursceller kan CDK1, med sina partner cyklin A2 och B1, ensam driva cellcykeln. En annan, CDK7, är indirekt involverad som CDK-aktiverande kinas. Cyklin-CDK-komplex fosforylerar substrat lämpliga för den specifika cellcykelfasen. Cyklin-CDK-komplex från tidigare cellcykelfas hjälper till att aktivera cyklin-CDK-komplex i senare fas.

En lista över CDK med deras regulatorprotein, cyklin eller annat:

• CDK1 ; cyklin A , cyklin B
• CDK2 ; cyklin A , cyklin E
• CDK3 ; cyklin C
• CDK4 ; cyklin D1 , cyklin D2 , cyklin D3
• CDK5 ; CDK5R1 , CDK5R2 . Se även CDKL5 .
• CDK6 ; cyklin D1 , cyklin D2 , cyklin D3
• CDK7 ; cyklin H
• CDK8 ; cyklin C
• CDK9 ; cyklin T1 , cyklin T2a , cyklin T2b , cyklin K
• CDK10
• CDK11 ( CDC2L2 ); cyklin L
• CDK12 ; cyklin L
• CDK13 ( CDC2L5 ); cyklin L

Reglering av verksamheten

CDK-nivåer förblir relativt konstanta under cellcykeln och de flesta regleringen är posttranslationell. Mest kunskap om CDK -struktur och funktion är baserad på CDK av S. pombe (Cdc2), S. cerevisiae (CDC28) och ryggradsdjur (CDC2 och CDK2). De fyra huvudmekanismerna för CDK -reglering är cyklinbindning, CAK -fosforylering, regulatorisk hämmande fosforylering och bindning av CDK -hämmande subenheter (CKI).

Cyklinbindning

Den aktiva platsen , eller ATP-bindningsstället, för alla kinaser är en klyfta mellan en liten aminoterminal lob och en större karboxiterminal lob. Strukturen för humant Cdk2 avslöjade att CDK har ett modifierat ATP-bindningsställe som kan regleras genom cyklinbindning. Fosforylering med CDK-aktiverande kinas (CAK) vid Thr 161 på T-slingan ökar den komplexa aktiviteten. Utan cyklin blockerar en flexibel slinga som kallas aktiveringsslingan eller T-slingan klyftan, och positionen för flera viktiga aminosyrarester är inte optimal för ATP-bindning. Med cyklin byter två alfa -spiraler position för att tillåta ATP -bindning. En av dem, L12-spiralen som kommer strax före T-slingan i den primära sekvensen, blir en betasträng och hjälper till att omorganisera T-slingan, så att den inte längre blockerar den aktiva platsen. Den andra alfa -helixen som kallas PSTAIRE -helixen omarrangerar och hjälper till att ändra positionen för de viktigaste aminosyraresterna i det aktiva stället.

Det finns en stor specificitet i vilken cyklin binder med CDK. Vidare bestämmer cyklinbindning specificiteten för cyklin-CDK-komplexet för specifika substrat. Cykliner kan direkt binda substratet eller lokalisera CDK till ett subcellulärt område där substratet finns. Substratspecificitet för S -cykliner förmedlas av den hydrofoba satsen (centrerad på MRAIL -sekvensen), som har affinitet för substratproteiner som innehåller ett hydrofobt RXL (eller Cy) -motiv. Cyklin B1 och B2 kan lokalisera Cdk1 till kärnan respektive Golgi genom en lokaliseringssekvens utanför den CDK-bindande regionen.

Fosforylering

Cyklinbindning ensam orsakar partiell aktivering av Cdks, men fullständig aktivering kräver också aktivering av fosforylering med en CAK. I djurceller fosforylerar CAK Cdk -subenheten först efter cyklinbindning, som visas här. Spirande jäst innehåller en annan version av CAK som kan fosforylera Cdk även i frånvaro av cyklin, och så kan de två aktiveringsstegen ske i valfri ordning.

Full kinasaktivitet kräver en aktiverande fosforylering på en treonin intill CDK: s aktiva plats . Identiteten hos det CDK-aktiverande kinaset (CAK) som utför denna fosforylering varierar mellan modellorganismerna. Tidpunkten för denna fosforylering varierar också. I däggdjursceller sker den aktiverande fosforyleringen efter cyklinbindning. I jästceller sker det före cyklinbindning. CAK-aktivitet regleras inte av kända cellcykelvägar och cyklinbindning är det begränsande steget för CDK-aktivering.

Till skillnad från aktivering av fosforylering är CDK -hämmande fosforylering avgörande för reglering av cellcykeln. Olika kinaser och fosfataser reglerar deras fosforyleringstillstånd. En av kinaserna som placerar tyrosinfosfatet är Wee1 , ett kinas konserverat i alla eukaryoter. Fissionsjäst innehåller också ett andra kinas Mikl som kan fosforylera tyrosinet. Ryggradsdjur innehåller ett annat andra kinas som kallas Myt1 som är relaterat till Wee1 men kan fosforylera både treoninet och tyrosinet. Fosfataser från Cdc25 -familjen defosforylerar både treoninet och tyrosinet.

CDK -hämmare

En cyklinberoende kinashämmare (CKI) är ett protein som interagerar med ett cyklin-CDK-komplex för att blockera kinasaktivitet, vanligtvis under G1 eller som svar på signaler från omgivningen eller från skadat DNA. I djurceller finns det två stora CKI -familjer : INK4 -familjen och CIP/KIP -familjen . INK4 -familjens proteiner är strikt hämmande och binder CDK -monomerer. Kristallstrukturer av CDK6-INK4-komplex visar att INK4-bindning vrider CDK för att förvränga cyklinbindning och kinasaktivitet. CIP/KIP -familjens proteiner binder både cyklin och CDK i ett komplex och kan vara hämmande eller aktiverande. CIP/KIP -familjeproteiner aktiverar cyklin D- och CDK4- eller CDK6 -komplex genom att öka komplexbildningen.

I jäst och Drosophila är CKI starka hämmare av S- och M-CDK, men hämmar inte G1/S-CDK. Under G1 förhindrar höga nivåer av CKI: er att cellcykelhändelser inträffar ur funktion, men förhindrar inte övergång genom startkontrollpunkten, som initieras genom G1/S-CDK. När cellcykeln väl har initierats leder fosforylering av tidiga G1/S-CDK till förstörelse av CKI, vilket lindrar hämning vid senare cellcykelövergångar. I däggdjursceller fungerar CKI -regleringen annorlunda. Däggdjursprotein p27 (Dacapo i Drosophila) hämmar G1/S- och S-CDK, men hämmar inte S- och M-CDK.

Baserat på molekylära dockningsresultat screenades Ligands-3, 5, 14 och 16 bland 17 olika pyrrolonfuserade bensosuberenföreningar som potenta och specifika hämmare utan någon korsreaktivitet mot olika CDK-isoformer. Analys av MD-simuleringar och MM-PBSA-studier avslöjade bindningsenergiprofilerna för alla utvalda komplex. Utvalda ligander presterade bättre än den experimentella läkemedelskandidaten (Roscovitine). Ligander-3 och 14 visar specificitet för CDK7 och Ligands-5 och 16 var specifika mot CDK9. Dessa ligander förväntas ha lägre risk för biverkningar på grund av deras naturliga ursprung.

Tolkning av dynamiska simuleringar och bindande studier av fri energi avslöjade att Ligand2 (av 17 egna syntetiserade pyrrolonfuserade bensosuberene (PBS) -föreningar) har en stabil och ekvivalent fri energi till Flavopiridol, SU9516 och CVT-313-hämmare. Ligand2 granskades som en selektiv inhibitor av CDK2 utan bindning utanför målet (CDK1 och CDK9) baserat på ligandeffektivitet och bindningsaffinitet.

Grafisk abstrakt av CDK2

Suk1 eller Cks

CDK: erna direkt involverade i reglering av cellcykeln associerar med små 9 till 13 kiloDalton-proteiner som kallas Suk1 eller Cks . Dessa proteiner krävs för CDK -funktion, men deras exakta roll är okänd. Cks1 binder karboxyloben i CDK och känner igen fosforylerade rester. Det kan hjälpa cyklin-CDK-komplexet med substrat som har flera fosforyleringsställen genom att öka affiniteten för substratet.

Icke-cyklinaktivatorer

Virala cykliner

Virus kan koda proteiner med sekvenshomologi till cykliner. Ett mycket studerat exempel är K-cyclin (eller v-cyclin) från Kaposi sarkomherpesvirus (se Kaposis sarkom ), som aktiverar CDK6. Virala cyklin-CDK-komplex har olika substratspecificiteter och regleringskänsligheter.

CDK5 -aktivatorer

Proteinerna p35 och p39 aktiverar CDK5. Även om de saknar cyklinsekvenshomologi, visar kristallstrukturer att p35 veckas på liknande sätt som cyklinerna. Aktivering av CDK5 kräver dock inte aktiveringsslingfosforylering.

RINGO/Speedy

Proteiner utan homologi med cyklinfamiljen kan vara direktaktiverare av CDK. En familj av sådana aktivatorer är familjen RINGO/Speedy, som ursprungligen upptäcktes i Xenopus. Alla fem hittills hittade medlemmar aktiverar direkt Cdk1 och Cdk2, men RINGO/Speedy-CDK2-komplexet känner igen olika substrat än cyklin A-CDK2-komplexet.

Historia

Leland H. Hartwell , R. Timothy Hunt och Paul M. Nurse fick Nobelpriset i fysiologi eller medicin 2001 för sin fullständiga beskrivning av cyklin- och cyklinberoende kinasmekanismer, som är centrala för reglering av cellcykeln.

Medicinsk betydelse

Sjukdomar i CDK

Som läkemedelsmål

CDK anses vara ett potentiellt mål för medicin mot cancer. Om det är möjligt att selektivt avbryta cellcykelregleringen i cancerceller genom att störa CDK -verkan, kommer cellen att dö. För närvarande genomgår vissa CDK -hämmare, såsom seliciclib, kliniska prövningar. Även om det ursprungligen utvecklades som ett potentiellt läkemedel mot cancer, har seliciclib också visat sig inducera apoptos i neutrofila granulocyter , som förmedlar inflammation . Detta innebär att nya läkemedel för behandling av kroniska inflammationssjukdomar som artrit och cystisk fibros kan utvecklas.

Flavopiridol ( alvocidib ) är den första CDK-hämmaren som testades i kliniska prövningar efter att ha identifierats i en anti-cancer agent skärm 1992. Den tävlar om ATP-platsen för CDK: erna. Palbociclib och abemaciclib har godkänts för hantering av hormonreceptor (östrogenreceptor/progestogenreceptor) som uttrycker metastatisk bröstcancer i kombination med endokrin terapi.

Mer forskning krävs dock eftersom avbrott i den CDK-medierade vägen har potentiellt allvarliga konsekvenser; medan CDK-hämmare verkar lovande måste det fastställas hur biverkningar kan begränsas så att endast målceller påverkas. Eftersom sådana sjukdomar för närvarande behandlas med glukokortikoider , som ofta har allvarliga biverkningar, skulle även en mindre framgång vara en förbättring.

Komplikationer av att utveckla ett CDK -läkemedel inkluderar det faktum att många CDK inte är inblandade i cellcykeln, utan andra processer som transkription, neural fysiologi och glukoshomeostas.

Referenser

Vidare läsning

externa länkar

• Cyklinberoende+kinaser vid US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
• EG 2.7.11.22
• KEGG - Human Cell Cycle