Do kinaz zależnych od cyklin (w języku angielskim, cykliny zależnej od kinazy lub CDK ) są rodziną białkowych kinaz , które odgrywają ważną rolę w regulacji cyklu komórkowego . Są również zaangażowani w regulację transkrypcji , przetwarzanie informacyjnego RNA i różnicowanie komórek nerwowych. Są obecne u wszystkich eukariontów , a ich funkcja w cyklu komórkowym została silnie zachowana podczas ewolucji. Do tego stopnia, że niektóre drożdże mogą przeżyć i rozmnażać się normalnie, jeśli ich geny kodujące CDK zostały zastąpione przez ich ludzkie odpowiedniki. Białka CDK są stosunkowo małe, a ich masa cząsteczkowa waha się między 34 a 40 KDa . Z definicji CDK wiąże się z białkiem regulującym cykl komórkowy zwanym cykliną . Bez swojej docelowej cykliny, białko CDK ma bardzo małą aktywność kinazy: to połączenie CDK i cykliny nadaje jej aktywność kompleksowi. Białka CDK fosforylują swoje substraty na serynach i treoninach , czyniąc je kinazami serynowo-treoninowymi. Konsensusową sekwencją aminokwasową dla fosforylacji CDK białka jest [S / T *] PX [K / R], gdzie S / T * to fosforylowana seryna lub treonina, P to prolina , X to n Dowolny aminokwas, K to lizyna a R oznacza argininę .
Tabela 1: Znane CDK z ich towarzyszącymi cyklinami i ich funkcje u ludzi z konsekwencjami ich delecji u myszy.
| CDK | Partner rowerowy | Funkcjonować | Fenotyp z delecją myszy |
|---|---|---|---|
| Cdk1 | Cyclin B | Mitoza | Nie. ~ E2.5. |
| Cdk2 | Cyclin E | Przejście G1 / S | Zmniejszony rozmiar, wpływ na proliferację komórek progenitorowych. Żywe, ale zarówno samce, jak i samice są bezpłodne. |
| Cdk2 | Cyklina A | Rola w fazie S i fazie G2 | |
| Cdk3 | Cyklina C | Prawdopodobnie rola w fazie G1 | Nie ma problemu. Żywe i płodne zwierzęta. |
| Cdk4 | Cyclin D | Faza G1 | Zmniejszony wzrost , cukrzyca insulinozależna . Żywe, ale bezpłodne samce i samice. |
| Cdk5 | p35 | Transkrypcja | Poważne problemy neurologiczne. Zmarł zaraz po urodzeniu. |
| Cdk6 | Cyclin D | faza G1 | |
| Cdk7 | Cyclin H | Aktywator CDK, transkrypcja. | |
| Cdk8 | Cyklina C | Transkrypcja | Śmiertelny w stanie embrionalnym. |
| Cdk9 | Cyclin T | Transkrypcja | Śmiertelny w stanie embrionalnym. |
| Cdk11 | Cyclin L | Nieznany | Wady podczas mitozy. E3.5. |
| ? | Cyclin F | Nieznany | Defekty w tkankach pozazarodkowych. E10.5. |
| ? | Jazda rowerem | Nieznany |
Większość kompleksów cyklina-CDK reguluje progresję przez cykl komórkowy. Komórki zwierzęce zawierają co najmniej 9 CDK, z których 4 (CDK1, 2, 3 i 4) są bezpośrednio zaangażowane w cykl komórkowy. W komórkach ssaków samo CDK1 i jego partnerzy, cykliny A2 i B1, mogą koordynować cykl komórkowy. CDK7 jest pośrednio zaangażowany jako aktywator innych. Kompleksy cyklina-CDK fosforylują odpowiednie substraty dla określonej fazy cyklu komórkowego. Występujące na początku cyklu komórkowego kompleksy cyklina-CDK pomagają aktywować kompleksy zaangażowane w późniejszych fazach.
Tabela 2: Cykliny i CDK według fazy cyklu komórkowego
| Faza | Cyklina | CDK |
|---|---|---|
| G0 | VS | Cdk3 |
| G1 | D, E | Cdk4, Cdk2, Cdk6 |
| S | A, E | Cdk2 |
| G2 | W | Cdk2, Cdk1 |
| M | b | Cdk1 |
Tabela 3: CDK, które kontrolują cykl komórkowy w organizmach modelowych .
| Gatunki | Nazwisko | Oryginalne imię | Rozmiar (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 | Mitoza |
| Cdk2 | Cdc2c | 314 | G1 / S, S, może M | |
| Cdk4 | Cdk4 / 6 | 317 | G1, wspomaga wzrost | |
| Xenopus laevis | Cdk1 | Cdc2 | 301 | M |
| Cdk2 | 297 | S, może M | ||
| Homo sapiens | Cdk1 | Cdc2 | 297 | M |
| Cdk2 | 298 | G1, S, może M | ||
| Cdk4 | 301 | G1 | ||
| Cdk6 | 326 | G1 |
Poziom CDK pozostaje względnie stały przez cały cykl komórkowy, a większość regulacji ma charakter potranslacyjny . Znajomość struktury CDK pochodzi głównie ze struktur uzyskanych u Schizosaccharomyces pombe (Cdc2), Saccharomyces cerevisiae (CDC28) oraz niektórych kręgowców (CDC2 i CDK2). Cztery główne mechanizmy regulacyjne CDK to wiązanie cykliny, aktywacja fosforylacji, represyjna fosforylacja i represyjne wiązanie białek.
Miejsce aktywne lub miejsce wiązania ATP wszystkich kinaz jest rowkiem między małym płatem na końcu aminowym a dużym płatem na końcu karboksylowym. Struktura CDK2 u ludzi pokazuje, że CDK mają zmodyfikowane miejsce wiązania ATP, które może być regulowane przez wiązanie cykliny. Fosforylacja przez „kinazę aktywującą CDK” w Thr 161 zwiększa aktywność kompleksu. Bez cykliny elastyczna pętla zwana pętlą aktywatora lub pętlą T blokuje rowek, a pozycja kilku aminokwasów zapobiega wiązaniu ATP. W obecności cykliny dwie helisy alfa zmieniają pozycję, aby umożliwić wiązanie ATP. Jedna z nich, spirala L12 umieszczona tuż przed pętlą T, staje się arkuszem β i pomaga zmienić układ pętli T, aby nie blokowała już rowka. Druga helisa α, zwana helisą PSTAIRE, pomaga w rearanżacji aminokwasów w miejscu aktywnym.
Istnieje bardzo wysoka specyficzność między cykliną a odpowiadającą jej CDK. Ponadto zaangażowana cyklina determinuje specyficzność kompleksu cyklina-CDK z jej substratem. Cykliny mogą bezpośrednio przyczepiać się do swoich substratów lub wprowadzać CDK do przedziału komórkowego, w którym znajduje się substrat. Jeśli chodzi o fazę S, specyficzność dla substratu polega na hydrofobowej domenie (sekwencja MRAIL), która ma silne powinowactwo do białek, które zawierają hydrofobowy motyw RXL. Cykliny B1 i B2 mogą dostarczać Cdk1 do jądra lub do aparatu Golgiego .
Pełna aktywność kinazy wymaga fosforylacji treoniny sąsiadującej z miejscem aktywnym . Tożsamość „kinazy aktywującej CDK” (CAK), która przeprowadza tę modyfikację, jak również czas, w jakim ją przeprowadza, różni się w zależności od gatunku. W komórkach ssaków aktywacja fosforylacji następuje po związaniu cykliny. W przypadku drożdży ma to miejsce wcześniej. Aktywność CAK nie jest zależna od regulacji przez czynniki cyklu komórkowego, a wiązanie cykliny jest etapem ograniczającym dla aktywacji CDK.
W przeciwieństwie do aktywującej fosforylacji, hamująca fosforylacja CDK jest niezbędna do regulacji cyklu komórkowego. W regulacji tej uczestniczy kilka kinaz i fosfataz . Jeden z tych enzymów, które na miejsce fosforylacji tyrozyny jest WEE1 , która jest zachowana we wszystkich organizmów eukariotycznych. Drożdże S. pombe mają drugą kinazę Mik1, która może fosforylować tyrozynę. U kręgowców druga kinaza zbliżona do Wee1 zwana Myt1 może fosforylować zarówno treoninę, jak i tyrozynę. Jeśli chodzi o fosfatazy z rodziny Cdc25 , są one zdolne do defosforylacji zarówno treoniny, jak i tyrozyny.
Białko inhibitora CDK („białko inhibitora kinazy zależne od cyklin” [CKI]) to białko, które oddziałuje z kompleksem cyklina-CDK w celu blokowania aktywności kinazy, zwykle w fazie G1 lub w odpowiedzi na sygnały ze środowiska lub z powodu DNA uszkodzić. W komórkach zwierzęcych istnieją dwie główne rodziny CKI: rodzina INK4 i rodzina CIP / KIP. Białka z rodziny INK4 są ściśle inhibitorami CDK i wiążą się z monomerami CDK. Struktura kompleksu CDK6-INK4 wskazuje, że wiązanie INK4 prowadzi do skręcenia CDK, co zapobiega wiązaniu cykliny i aktywności kinazy. Jeśli chodzi o białka z rodziny CIP / KIP, mogą one wiązać się z cyklinami, a także z CDK i mogą zarówno hamować, jak i aktywować. Zatem białka z rodziny CIP / KIP mogą aktywować kompleks między cykliną D i CDK4 lub 6, ułatwiając tworzenie kompleksu.
U drożdży i Drosophila CKI są silnymi inhibitorami CDK związanych z fazami M i S, ale nie hamują tych związanych z fazą G1. Podczas fazy G1 wysokie poziomy CKI zapobiegają pojawianiu się nieprzewidzianych zdarzeń cyklu komórkowego, ale nie przechodzą punktu kontrolnego z fazy G1 do fazy S. Gdy tylko cykl komórkowy zostanie zainicjowany, fosforylacja pierwszych G1 / S CDK prowadzi do zniszczenia CKI, co usuwa zahamowanie przyszłych przejść cyklu komórkowego.
CDK bezpośrednio zaangażowane w regulację cyklu komórkowego wiążą się z małymi białkami (9 do 13 kDa) zwanymi Suk1 lub Cks. Białka te są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania CDK, ale ich dokładna rola nie jest znana. Cks1 wiąże się z płatem karboksylowym CDK i rozpoznaje fosforylowane reszty. Proces ten może pomóc kompleksowi cyklina-CDK w interakcji z substratami zawierającymi wiele reszt fosforylowanych.
Niektóre wirusy mogą kodować białka mające sekwencje homologiczne do cyklin. Na przykład cyklina K z wirusa mięsaka Kaposiego aktywuje CDK6. Wirusowe kompleksy cyklina-CDK są specyficzne dla innych substratów i podlegają innym regulacjom.
Aktywatory CDK5W p35 i p39 białka aktywacji CDK5. Pomimo faktu, że białka te nie wykazują homologii sekwencji z cyklinami, struktura krystalograficzna p35 pokazuje, że jego fałdowanie wykazuje podobieństwa do cyklin. Jednak aktywacja CDK5 nie wymaga fosforylacji w pętli.
RINGO / SpeedyBiałka, które nie wykazują homologii z cyklinami, mogą być bezpośrednimi aktywatorami CDK. Jedną z rodzin tych aktywatorów jest rodzina białek RINGO / Speedy, które zostały odkryte w ksenopusie. Pięciu znanych członków rodziny jest zdolnych do aktywowania Cdk1 i Cdk2, ale kompleks RINGO / Speedy-Cdk2 rozpoznaje inne substraty niż kompleks cykliny A-Cdk2.
Leland H. Hartwell , R. Timothy Hunt i Paul M. Nurse otrzymali w 2001 r . Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za pełny opis cyklin i CDK, które są niezbędne do regulacji cyklu komórkowego.
Uważa się, że CDK są potencjalnymi celami w leczeniu niektórych nowotworów. Jeśli możliwe jest specyficzne przerwanie cyklu komórkowego komórek rakowych poprzez interferencję z CDK, spowoduje to śmierć komórek. Niektóre inhibitory CDK, takie jak „Seliciclib”, są obecnie w fazie prób klinicznych . Chociaż pierwotnie została opisana jako potencjalny lek przeciwnowotworowy, testy wykazały, że ta cząsteczka może również wywoływać apoptozę w neutrofilach, które pośredniczą w zapaleniu. Dlatego może być stosowany w leczeniu przewlekłych stanów zapalnych, takich jak zapalenie stawów czy zapalenie pęcherza .
Flawopirydol jest również inhibitorem CDK w badaniach klinicznych po zidentyfikowaniu w 1992 r. Współzawodniczy z ATP o wiązanie z CDK.
Jednak te wskazówki wymagają lepszej wiedzy na temat CDK, ponieważ hamowanie tych białek może mieć potencjalnie dramatyczne konsekwencje. Chociaż inhibitory CDK są obiecujące, nadal ważne jest ustalenie, jak zmniejszyć skutki uboczne i zwiększyć swoistość docelowych typów komórek.
Rozwój cząsteczek ukierunkowanych na CDK jest skomplikowany, ponieważ białka te biorą udział nie tylko w cyklu komórkowym, ale także w innych procesach, takich jak transkrypcja, fizjologia neuronalna czy metabolizm glukozy .
Tabela 4: Inhibitory CDK
| Cząsteczka | Docelowe CDK |
|---|---|
| Flavopiridol | 1, 2, 4, 6, 7, 9 |
| Ołomuniec | 1, 2, 5 |
| Roscovitine | 1, 2, 5 |
| Purvalanol | 1, 2, 5 |
| Paullones | 1, 2, 5 |
| Butryolakton | 1, 2, 5 |
| Palbociclib | 4, 6 |
| Tio / oxoflavopiridole | 1 |
| Oxindoles | 2 |
| Aminotiazole | 4 |
| Benzokarbazole | 4 |
| Pirymidyny | 4 |
| Seliciclib | ? |
| Rybocyklib | 4, 6 |