WikiDer > Циклинзависимая киназа

Cyclin-dependent kinase
Циклинзависимая киназа
Идентификаторы
Номер ЕС2.7.11.22
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Третичная структура человеческого Cdk2, определенная с помощью рентгеновской кристаллографии. Как и другие протеинкиназы, Cdk2 состоит из двух долей: меньшей аминоконцевой доли (вверху), которая состоит в основном из бета-листа и спирали PSTAIRE, и большой карбоксиконцевой доли (внизу), которая в основном состоит из альфа спирали. Субстрат АТФ показан в виде шарообразной модели, расположенной глубоко в щели активного центра между двумя долями. Фосфаты ориентированы наружу, к устью щели, которая в этой структуре заблокирована Т-образной петлей (выделена зеленым). (PDB 1hck)
Схема клеточного цикла. внешнее кольцо: I = Межфазный, M = Митоз; внутреннее кольцо: M = митоз; G1 = Промежуток фазы 1; S = Синтез; G2 = Промежуток фазы 2.

Циклинзависимые киназы (CDK) - это семьи протеинкиназы впервые обнаружены за их роль в регулировании клеточный цикл. Они также участвуют в регулировании транскрипция, обработка мРНК и дифференцировка нервных клеток.[1] Они присутствуют во всех известных эукариоты, и их регуляторная функция в клеточном цикле эволюционно сохраняется. По факту, дрожжи клетки могут нормально пролиферировать, когда их ген CDK заменен гомологичным геном человека.[1][2] CDK - это относительно небольшие белки с молекулярной массой от 34 до 40 кДа, которые содержат немногим более киназный домен.[1] По определению CDK связывает регуляторный белок, называемый циклин. Без циклина CDK имеет небольшую киназную активность; только комплекс циклин-CDK является активной киназой, но его активность обычно может дополнительно модулироваться посредством фосфорилирование и другие связывающие белки, такие как стр. 27. CDK фосфорилируют свои субстраты по серинам и треонинам, поэтому они серин-треониновые киназы.[1] В консенсусная последовательность для сайта фосфорилирования в аминокислота последовательность субстрата CDK представляет собой [S / T *] PX [K / R], где S / T * представляет собой фосфорилированный серин или треонин, P есть пролин, X - любая аминокислота, K - лизин, а R - аргинин.[1]

Типы

Таблица 1: Известные CDK, их циклин партнеры и их функции в человеческом[3] и последствия делеции у мышей[4]
CDK! Партнер CyclinФункцияДелеционный фенотип у мышей
Cdk1Циклин БФаза MНикто
Cdk2Циклин EПереход G1 / SУменьшение размера, усиление пролиферации нервных клеток-предшественников. Жизнеспособны, но бесплодны как самцы, так и самки.
Cdk2Циклин АФаза S, фаза G2
Cdk3Циклин СФаза G1?Дефектов нет. Жизнеспособный, плодородный.
Cdk4Циклин DФаза G1Уменьшение размеров, инсулино-дефицитный диабет. Жизнеспособны, но бесплодны как по мужскому, так и по женскому признаку.

CDK и циклины в клеточном цикле

Большинство известных комплексов циклин-CDK регулируют прогрессирование через клеточный цикл. Клетки животных содержат по крайней мере девять CDK, четыре из которых, CDK1, 2, 3 и 4, непосредственно участвуют в регуляции клеточного цикла.[1] В клетках млекопитающих CDK1 вместе со своими партнерами циклином A2 и B1 по отдельности может управлять клеточным циклом.[4] Другой, CDK7, косвенно участвует в качестве киназы, активирующей CDK.[1] Комплексы циклин-CDK фосфорилируют субстраты, подходящие для конкретной фазы клеточного цикла.[3] Комплексы циклин-CDK на более ранней фазе клеточного цикла помогают активировать комплексы циклин-CDK на более поздней фазе.[1]

Таблица 2: Циклины и CDK по фазам клеточного цикла
ФазаЦиклинCDK
G0CCdk3
G1D, ECdk4, Cdk2, Cdk6
SА, ЕCdk2
G2АCdk2, Cdk1
MBCdk1
Таблица 3: Циклинзависимые киназы, которые контролируют клеточный цикл в модельных организмах[1]
ВидыимяОригинальное названиеРазмер (аминокислоты)Функция
Saccharomyces cerevisiaeCdk1Cdc28298Все стадии клеточного цикла
Schizosaccharomyces pombeCdk1Cdc2297Все стадии клеточного цикла
Drosophila melanogasterCdk1Cdc2297M
Cdk2Cdc2c314G1 / S, S, возможно M
Cdk4Cdk4 / 6317G1, способствует росту
Xenopus laevisCdk1Cdc2301M
Cdk2297S, возможно M
Homo sapiensCdk1Cdc2297M
Cdk2298G1, S, возможно M
Cdk4301G1
Cdk6326G1

Список CDK с их регуляторным белком, циклином или другим:

Регулирование деятельности

Уровни CDK остаются относительно постоянными на протяжении клеточного цикла, и большая часть регуляции является посттрансляционной. Большинство знаний о структуре и функциях CDK основаны на CDK С. Помбе (Cdc2), С. cerevisiae (CDC28) и позвоночные (CDC2 и CDK2). Четыре основных механизма регуляции CDK - это связывание циклина, CAK фосфорилирование, регуляторное ингибирующее фосфорилирование и связывание ингибирующих субъединиц CDK (CKI).[5]

Циклиновое связывание

В активный сайтили АТФ-связывающий сайт всех киназ представляет собой щель между небольшой аминоконцевой долей и большей карбоксиконцевой долей.[1] Структура человеческого Cdk2 показала, что CDK имеют модифицированный сайт связывания АТФ, который может регулироваться связыванием циклина.[1] Фосфорилирование CDK-активирующей киназой (CAK) по Thr 161 на Т-петле увеличивает активность комплекса. Без циклина гибкий цикл, называемый цикл активации или Т-петля блокирует щель, и положение нескольких ключевых аминокислотных остатков не является оптимальным для связывания АТФ.[1] С циклином две альфа-спирали меняют положение, позволяя связываться с АТФ. Одна из них, спираль L12, которая идет непосредственно перед Т-петлей в первичной последовательности, становится бета-цепью и помогает перестроить Т-петлю, так что она больше не блокирует активный сайт.[1] Другая альфа-спираль, называемая спиралью PSTAIRE, перестраивает и помогает изменить положение ключевых аминокислотных остатков в активном сайте.[1]

Существует значительная специфичность связывания циклина с CDK.[3] Кроме того, связывание циклина определяет специфичность комплекса циклин-CDK для определенных субстратов.[3] Циклины могут напрямую связывать субстрат или локализовать CDK в субклеточной области, где находится субстрат. Субстратная специфичность S-циклинов придается гидрофобной партии (с центром в последовательности MRAIL), которая имеет сродство к субстратным белкам, которые содержат гидрофобный мотив RXL (или Cy). Циклин B1 и B2 могут локализовать Cdk1 в ядре и Гольджи, соответственно, посредством последовательности локализации вне области связывания CDK.[1]

Фосфорилирование

Связывание циклина само по себе вызывает частичную активацию Cdks, но для полной активации также требуется активация фосфорилирования с помощью CAK. В клетках животных CAK фосфорилирует субъединицу Cdk только после связывания циклина, как показано здесь. Бутонирующие дрожжи содержат другую версию CAK, которая может фосфорилировать Cdk даже в отсутствие циклина, и поэтому две стадии активации могут происходить в любом порядке.

Полный киназа деятельность требует активации фосфорилирование на треонин рядом с CDK активный сайт.[1] Идентичность CDK-активирующей киназы (CAK), которая выполняет это фосфорилирование, варьируется в зависимости от модельных организмов.[1] Время этого фосфорилирования также варьируется. В клетках млекопитающих активирующее фосфорилирование происходит после связывания циклина.[1] В дрожжевых клетках это происходит до связывания циклина.[1] Активность САК не регулируется известными путями клеточного цикла, и связывание циклина является лимитирующим этапом для активации CDK.[1]

В отличие от активирующего фосфорилирования, ингибирующее фосфорилирование CDK жизненно важно для регуляции клеточного цикла. Состояние фосфорилирования регулируется различными киназами и фосфатазами. Одна из киназ, отвечающих за тирозинфосфат, - Wee1, киназа, сохраненная у всех эукариот.[1] Делящиеся дрожжи также содержит вторую киназу Mik1, которая может фосфорилировать тирозин.[1] Позвоночные животные содержат другую вторую киназу, называемую Myt1, которая связана с Wee1 но может фосфорилировать как треонин, так и тирозин.[1] Фосфатазы из Cdc25 семья дефосфорилирует как треонин, так и тирозин.[1]

Ингибиторы CDK

А ингибитор циклин-зависимой киназы (CKI) представляет собой белок, который взаимодействует с комплексом циклин-CDK, чтобы блокировать активность киназы, обычно во время G1 или в ответ на сигналы из окружающей среды или от поврежденной ДНК.[1] В клетках животных существует два основных семейства CKI: INK4 семья и CIP / KIP семья.[1] Белки семейства INK4 строго ингибируют и связывают мономеры CDK. Кристаллические структуры комплексов CDK6-INK4 показывают, что связывание INK4 перекручивает CDK, искажая связывание циклина и активность киназы. Белки семейства CIP / KIP связывают как циклин, так и CDK комплекса и могут быть ингибирующими или активирующими. Белки семейства CIP / KIP активируют циклин D и комплексы CDK4 или CDK6, усиливая образование комплексов.[1]

У дрожжей и дрозофилы CKI являются сильными ингибиторами S- и M-CDK, но не ингибируют G1 / S-CDK. Во время G1 высокие уровни CKI предотвращают нарушение порядка событий клеточного цикла, но не препятствуют переходу через контрольную точку Start, которая инициируется через G1 / S-CDK. Как только клеточный цикл инициирован, фосфорилирование ранними G1 / S-CDK приводит к разрушению CKI, снимая ингибирование более поздних переходов клеточного цикла. В клетках млекопитающих регуляция CKI работает иначе. Белок млекопитающих p27 (Dacapo у Drosophila) ингибирует G1 / S- и S-CDK, но не ингибирует S- и M-CDK.[1]

Suk1 или Cks

CDK, непосредственно участвующие в регуляции клеточного цикла, связаны с небольшими белками размером от 9 до 13 килодальтон, называемыми Suk1 или Cks.[3] Эти белки необходимы для функции CDK, но их точная роль неизвестна.[3]Cks1 связывает карбоксильную долю CDK и распознает фосфорилированные остатки. Это может помочь комплексу циклин-CDK с субстратами, имеющими несколько сайтов фосфорилирования, за счет увеличения сродства к субстрату.[3]

Нециклиновые активаторы

Вирусные циклины

Вирусы могут кодировать белки с последовательностью, гомологичной циклинам. Одним из хорошо изученных примеров является K-циклин (или v-циклин) из вируса герпеса саркомы Капоши (см. Саркома Капоши), который активирует CDK6. Комплексы вирусный циклин-CDK обладают различной субстратной специфичностью и чувствительностью к регуляции.[6]

Активаторы CDK5

Белки p35 и p39 активируют CDK5. Хотя у них отсутствует гомология последовательностей циклинов, кристаллические структуры показывают, что p35 укладывается таким же образом, как и циклины. Однако активация CDK5 не требует фосфорилирования петли активации.[6]

РИНГО / Спиди

Белки, не имеющие гомологии с семейством циклинов, могут быть прямыми активаторами CDK.[7] Одним из семейств таких активаторов является семейство RINGO / Speedy,[7] который был первоначально обнаружен в Xenopus. Все пять членов, обнаруженных на данный момент, непосредственно активируют Cdk1 и Cdk2, но комплекс RINGO / Speedy-CDK2 распознает разные субстраты, чем комплекс cyclin A-CDK2.[6]

История

Лиланд Х. Хартвелл, Дж. Хунхорст, Р. Тимоти Хант, и Пол М. Медсестра получил 2001 Нобелевская премия по физиологии и медицине для их полного описания циклин и циклин-зависимые киназные механизмы, которые играют центральную роль в регуляции клеточного цикла.

Медицинское значение

Основная статья: Ингибитор CDK

CDK считаются потенциальной мишенью для противораковых препаратов. Если можно избирательно прервать регуляцию клеточного цикла в раковых клетках, вмешиваясь в действие CDK, клетка погибнет. В настоящее время некоторые Ингибиторы CDK такие как селициклиб проходят клинические испытания. Хотя изначально селициклиб разрабатывался как потенциальное противораковое лекарство, он также может вызывать апоптоз в нейтрофильные гранулоциты, которые являются посредниками воспаление.[8] Это означает, что новые препараты для лечения хронический воспалительные заболевания, такие как артрит и кистозный фиброз может быть развит.

Флавопиридол (альвоцидиб) является первым ингибитором CDK, который прошел клинические испытания после того, как был идентифицирован в ходе скрининга противораковых агентов в 1992 году. Он конкурирует за сайт АТФ в CDK.[9] Палбоциклиб и абемациклиб были одобрены для лечения гормональных рецепторов (рецепторов эстрогенов / прогестагенов), вызывающих метастатический рак груди, в сочетании с эндокринной терапией.[10][11]

Однако необходимы дополнительные исследования, поскольку нарушение CDK-опосредованного пути имеет потенциально серьезные последствия; Хотя ингибиторы CDK кажутся многообещающими, необходимо определить, как можно ограничить побочные эффекты, чтобы затронуть только клетки-мишени. Поскольку такие заболевания в настоящее время лечатся глюкокортикоиды, которые часто имеют серьезные побочные эффекты, даже незначительный успех был бы улучшением.[10]

Осложнения разработки препарата CDK включают тот факт, что многие CDK не участвуют в клеточном цикле, а участвуют в других процессах, таких как транскрипция, нервная физиология и гомеостаз глюкозы.[12]

Таблица 4: Препараты-ингибиторы циклинзависимой киназы[12]
Препарат, средство, медикаментCDK заблокированы
Флавопиридол (альвоцидиб)1, 2, 4, 6, 7, 9
Olomoucine1, 2, 5
Росковитин (Селициклиб)1, 2, 5, 7, 9[13][14][15]
Пурваланол1, 2, 5
Пауллонес1, 2, 5
Бутриолактон1, 2, 5
Палбоциклиб4, 6
Тио /оксофлавопиридолы1
Оксиндолы2
Аминотиазолы4
Бензокарбазолы4
Пиримидины4

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж г час я j k л м п о п q р s т ты v ш Икс у z аа ab Морган Д.О. (2007). Клеточный цикл: принципы контроля (1-е изд.). Лондон: New Science Press. ISBN 978-0-87893-508-6.
  2. ^ Ли М.Г., медсестра П. (1987). «Комплементация, используемая для клонирования человеческого гомолога гена контроля клеточного цикла делящихся дрожжей cdc2». Природа. 327 (6117): 31–5. Bibcode:1987Натура.327 ... 31л. Дои:10.1038 / 327031a0. PMID 3553962. S2CID 4300190.
  3. ^ а б c d е ж г Морган Д.О. (1997). «Циклинзависимые киназы: двигатели, часы, микропроцессоры». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития. 13: 261–91. Дои:10.1146 / annurev.cellbio.13.1.261. PMID 9442875.
  4. ^ а б Сатьянараяна А., Калдис П. (август 2009 г.). «Регуляция клеточного цикла млекопитающих: несколько Cdks, многочисленные циклины и различные компенсаторные механизмы». Онкоген. 28 (33): 2925–39. Дои:10.1038 / onc.2009.170. PMID 19561645.
  5. ^ Морган Д.О. (март 1995 г.). «Принципы регулирования CDK». Природа. 374 (6518): 131–4. Bibcode:1995Натура 374..131М. Дои:10.1038 / 374131a0. PMID 7877684. S2CID 4323623.
  6. ^ а б c Небреда АР (апрель 2006 г.). «Активация CDK нециклиновыми белками». Текущее мнение в области клеточной биологии. 18 (2): 192–8. Дои:10.1016 / j.ceb.2006.01.001. PMID 16488127.
  7. ^ а б Mourón S, de Cárcer G, Seco E, Fernández-Miranda G, Malumbres M, Nebreda AR (август 2010 г.). «RINGO C требуется для поддержки контрольной точки сборки шпинделя». Журнал клеточной науки. 123 (Pt 15): 2586–95. Дои:10.1242 / jcs.059964. PMID 20605920.
  8. ^ Росси А.Г., Савацки Д.А., Уокер А., Уорд С., Шелдрейк Т.А., Райли Н.А. и др. (Сентябрь 2006 г.). «Ингибиторы циклинзависимой киназы улучшают разрешение воспаления, способствуя апоптозу воспалительных клеток». Природа Медицина. 12 (9): 1056–64. Дои:10,1038 / нм 1468. PMID 16951685. S2CID 5875865.
  9. ^ Сендерович AM (1999). «Флавопиридол: первый ингибитор циклин-зависимой киназы в клинических испытаниях на людях». Новые исследуемые препараты. 17 (3): 313–20. Дои:10.1023 / а: 1006353008903. PMID 10665481. S2CID 23551260.
  10. ^ а б «FDA предоставило Palbociclib ускоренное разрешение на лечение рака молочной железы на поздних стадиях». Национальный институт рака. Получено 2017-11-30.
  11. ^ Исследования, Центр оценки лекарственных средств и. «Одобренные препараты - FDA одобряет абемациклиб для лечения HR-положительного и HER2-отрицательного рака груди». www.fda.gov. Получено 2017-11-30.
  12. ^ а б Sausville EA (2002). «Сложности в разработке препаратов ингибиторов циклинзависимых киназ». Тенденции в молекулярной медицине. 8 (4 Приложение): S32-7. Дои:10.1016 / с1471-4914 (02) 02308-0. PMID 11927285.
  13. ^ Kolodziej M, Goetz C, Di Fazio P, Montalbano R, Ocker M, Strik H, Quint K. Росковитин оказывает антипролиферативное и проапоптотическое действие на клеточные линии глиобластомы: пилотное исследование. Отчеты онкологии. 2015 1 сентября; 34 (3): 1549-56.
  14. ^ Otyepka M, Bártová I, Kříž Z, Koča J. Различные механизмы активации CDK5 и CDK2, выявленные динамикой CDK5 / p25 и CDK2 / cyclin A. Журнал биологической химии. 2006 17 марта; 281 (11): 7271-81.
  15. ^ Сингх Р., Бхардвадж В., Дас П., Пурохит Р. Природные аналоги, ингибирующие селективные изоформы белка циклин-зависимой киназы: вычислительная перспектива. J Biomol Struct Dyn [Интернет]. 6 декабря 2019 г .; 1–10. Доступна с: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/07391102.2019.1696709

дальнейшее чтение

  • Loyer P, Trembley JH, Katona R, Kidd VJ, Lahti JM (сентябрь 2005 г.). «Роль комплексов CDK / циклин в транскрипции и сплайсинге РНК». Сотовая связь. 17 (9): 1033–51. Дои:10.1016 / j.cellsig.2005.02.005. PMID 15935619.

внешние ссылки