Циклин D является членом семейства циклиновых белков, участвующих в регуляции прогрессирования клеточного цикла . Синтез циклина D инициируется во время G1 и управляет фазовым переходом G1/S . Длина белка циклина D составляет от 155 (у зебровой дрейссены ) до 477 (у дрозофилы ) аминокислот . [2]
Как только клетки достигают критического размера клетки (и если у дрожжей нет партнера для спаривания) и если присутствуют факторы роста и митогены (для многоклеточных организмов) или питательные вещества (для одноклеточных организмов), клетки вступают в клеточный цикл. В целом, все стадии клеточного цикла у людей хронологически разделены и запускаются комплексами циклин - Cdk , которые периодически экспрессируются и частично избыточны по функциям. Циклины — это эукариотические белки, которые образуют голоферменты с циклин-зависимыми протеинкиназами (Cdk), которые они активируют. Обилие циклинов, как правило, регулируется синтезом и деградацией белка через APC/C- и CRL -зависимые пути.
Циклин D является одним из основных циклинов, продуцируемых с точки зрения его функциональной важности. Он взаимодействует с четырьмя Cdk: Cdk2 , 4 , 5 и 6. В пролиферирующих клетках накопление комплекса циклин D-Cdk4/6 имеет большое значение для прогрессии клеточного цикла. А именно, комплекс циклин D-Cdk4/6 частично фосфорилирует белок-супрессор опухоли ретинобластомы ( Rb ), ингибирование которого может индуцировать экспрессию некоторых генов (например, циклин E ), важных для прогрессии S-фазы.
У дрозофилы и многих других организмов есть только один белок циклин D. У мышей и людей были идентифицированы еще два белка циклин D. Три гомолога, называемые циклин D1 , циклин D2 и циклин D3 , экспрессируются в большинстве пролиферирующих клеток, а относительные экспрессируемые количества различаются в различных типах клеток. [3]
Наиболее изученные гомологи циклина D обнаружены в дрожжах и вирусах .
Дрожжевой гомолог циклина D, называемый CLN3 , взаимодействует с Cdc28 (белком контроля деления клеток) во время фазы G1.
У вирусов, таких как вирус герпеса Saimiriine 2 ( Herpesvirus saimiri ) и вирус герпеса человека 8 ( HHV-8 / герпесвирус, ассоциированный с саркомой Капоши ), гомологи циклина D (один член пары хромосом) приобрели новые функции, чтобы манипулировать метаболизмом клетки-хозяина в интересах вирусов. [4] Вирусный циклин D связывает человеческий Cdk6 и ингибирует Rb, фосфорилируя его, что приводит к образованию свободных факторов транскрипции, которые вызывают транскрипцию белка, способствующую прохождению фазы G1 клеточного цикла. Помимо Rb, вирусный комплекс циклин D-Cdk6 также нацелен на p27 Kip , ингибитор Cdk циклина E и A. Кроме того, вирусный циклин D-Cdk6 устойчив к ингибиторам Cdk, таким как p21 CIP1/ WAF1 и p16 INK4a , которые в клетках человека ингибируют Cdk4, не давая ему образовывать активный комплекс с циклином D. [4] [5]
Циклин D обладает третичной структурой, похожей на структуру других циклинов, называемой циклиновой складкой. Она содержит ядро из двух компактных доменов, каждый из которых имеет пять альфа-спиралей. Первый пятиспиральный пучок представляет собой консервативный циклиновый бокс, область примерно из 100 аминокислотных остатков на всех циклинах, которая необходима для связывания и активации Cdk. Второй пятиспиральный пучок состоит из того же расположения спиралей, но первичная последовательность двух субдоменов различна. [6] Все три циклина D-типа (D1, D2, D3) имеют один и тот же гидрофобный участок альфа-1-спирали. Однако он состоит из других аминокислотных остатков, как тот же участок в циклинах E, A и B. [6]
Факторы роста стимулируют Ras /Raf/ ERK , которые вызывают выработку циклина D. [7] Один из участников путей, MAPK , активирует фактор транскрипции Myc , который изменяет транскрипцию генов, важных для клеточного цикла, среди которых есть циклин D. Таким образом, циклин D синтезируется до тех пор, пока присутствует фактор роста.
Уровни циклина D в пролиферирующих клетках поддерживаются до тех пор, пока присутствуют факторы роста, ключевым игроком для перехода G1/S являются активные комплексы циклина D-Cdk4/6. Циклин D не влияет на переход G1/S, если он не образует комплекс с Cdk 4 или 6.
Одним из наиболее известных субстратов циклина D/Cdk4 и -6 является белок-супрессор опухолей ретинобластомы ( Rb ). Rb является важным регулятором генов, отвечающих за прохождение клеточного цикла, в частности, через фазу G1/S.
Одна из моделей предполагает, что количество циклина D, а следовательно, и активность циклина D-Cdk4 и -6, постепенно увеличивается во время G1, а не колеблется в установленном шаблоне, как это происходит с циклинами S и M. Это происходит в ответ на сенсоры внешних сигналов регуляции роста и роста клеток, и в результате Rb фосфорилируется. Rb снижает свое связывание с E2F и тем самым допускает опосредованную E2F активацию транскрипции циклина E и циклина A, которые связываются с Cdk1 и Cdk2 соответственно, создавая комплексы, которые продолжают фосфорилирование Rb. [8] [9] Циклин А и циклинзависимые киназные комплексы также функционируют для ингибирования активирующей субъединицы Cdh1 убиквитинлигазы E3 APC/C посредством фосфорилирования, что стабилизирует такие субстраты, как циклин А. [10] Координированная активация этой последовательности взаимосвязанных положительных обратных связей через циклины и циклинзависимые киназы приводит к приверженности делению клеток к контрольной точке G1/S и далее.
Другая модель предполагает, что уровни циклина D остаются почти постоянными в течение G1. [11] Rb монофосфорилируется в течение от начала до середины G1 циклином D-Cdk4,6, что противоречит идее о том, что его активность постепенно увеличивается. Зависимый от циклина D монофосфорилированный Rb все еще взаимодействует с факторами транскрипции E2F таким образом, что ингибирует транскрипцию ферментов, которые управляют переходом G1/S. Скорее, зависимая от E2F транскрипционная активность увеличивается, когда увеличивается активность Cdk2 и гиперфосфорилирует Rb к концу G1. [12] Rb может быть не единственной целью для циклина D для содействия пролиферации клеток и прогрессированию через клеточный цикл. Комплекс циклин D-Cdk4,6, посредством фосфорилирования и инактивации метаболических ферментов, также влияет на выживание клеток. Благодаря тщательному анализу различных спиралей Rb-стыковки был идентифицирован консенсусный мотив последовательности спирали, который можно использовать для идентификации потенциальных неканонических субстратов, которые циклин D-Cdk4,6 может использовать для стимуляции пролиферации. [13]
Мутации стыковки на основе RxL и LxCxE широко влияют на комплексы циклин-Cdk. Мутации ключевых остатков Rb, которые ранее считались необходимыми для взаимодействий стыковки комплекса Cdk, приводят к снижению общей активности киназы по отношению к Rb. Связывающая щель LxCxE в домене кармана Rb, которая, как было показано, взаимодействует с такими белками, как циклин D и вирусные онкопротеины, при удалении имеет лишь незначительное 1,7-кратное снижение фосфорилирования циклином D-Cdk4,6. Аналогично, когда мотив RxL, который, как показано, взаимодействует с циклинами E и A фазы S, удаляется, активность циклина D-Cdk4,6 имеет 4,1-кратное снижение. Таким образом, сайты стыковки на основе RxL и LxCxE взаимодействуют с циклином D-Cdk4,6, как и с другими циклинами, и их удаление оказывает скромное скромное влияние на прогрессию G1. [13]
Комплексы циклин D-Cdk 4,6 нацелены на Rb для фосфорилирования посредством стыковки с C-концевой спиралью. Ранее было показано, что при усечении последних 37 аминокислотных остатков уровни фосфорилирования Rb снижаются и индуцируется остановка G1. [14] Кинетические анализы показали, что при том же усечении снижение фосфорилирования Rb циклином D1-Cdk4,6 составляет 20 раз, а константа Михаэлиса-Ментен (Km) значительно увеличивается. Фосфорилирование Rb циклином A-Cdk2, циклином B-Cdk1 и циклином E-Cdk2 не затрагивается. [13]
C-конец имеет участок из 21 аминокислоты с альфа-спиральной склонностью. Удаление этой спирали или ее разрушение посредством замены остатков пролина также показывает значительное снижение фосфорилирования Rb. Ориентация остатков, а также кислотно-основные свойства и полярности имеют решающее значение для стыковки. Таким образом, сайты стыковки LxCxE, RxL и спирали взаимодействуют с различными частями циклина D, но нарушение любых двух из трех механизмов может нарушить фосфорилирование Rb in vitro. [13] Связывание спирали, возможно, самое важное, функционирует как структурное требование. Оно затрудняет эволюцию, приводя к тому, что комплекс циклин D-Cdk4/6 имеет относительно небольшое количество субстратов по сравнению с другими комплексами циклин-Cdk. [15] В конечном итоге это способствует адекватному фосфорилированию ключевой цели в Rb.
Все шесть комплексов циклин D-Cdk4,6 (циклин D1/D2/D3 с Cdk4/6) нацелены на Rb для фосфорилирования посредством стыковки на основе спирали. Общий гидрофобный участок спирали α 1, который есть у всех циклинов D, не отвечает за распознавание C-концевой спирали. Вместо этого он распознает последовательности RxL, которые являются линейными, включая те, что на Rb. В ходе экспериментов с очищенным циклином D1-Cdk2 был сделан вывод, что сайт стыковки спирали, вероятно, находится на циклине D, а не на Cdk4,6. В результате, вероятно, другой регион на циклине D распознает C-концевую спираль Rb.
Поскольку C-концевая спираль Rb связывается исключительно с циклином D-Cdk4,6, а не с другими комплексами циклин-Cdk, зависящими от клеточного цикла, посредством экспериментов по мутации этой спирали в клетках HMEC [16] было окончательно показано, что взаимодействие циклина D и Rb имеет решающее значение в следующих ролях: (1) способствуя переходу G1/S, (2) обеспечивая диссоциацию Rb от хроматина и (3) активацию E2F1.
Циклин D регулируется нисходящим путем рецепторов митогена через пути Ras/MAP киназы и β-катенин -Tcf/ LEF [17] и PI3K . [18] MAP киназа ERK активирует нисходящие факторы транскрипции Myc, AP-1 [7] и Fos [19], которые, в свою очередь, активируют транскрипцию генов Cdk4 , Cdk6 и циклина D, а также увеличивают биогенез рибосом . Семейство Rho GTPases , [20] интегрин-связанная киназа [21] и фокальная адгезионная киназа ( FAK ) активируют ген циклина D в ответ на интегрин . [22]
p27 kip1 и p21 cip1 являются ингибиторами циклинзависимой киназы ( CKI ), которые негативно регулируют CDK. Однако они также являются промоутерами комплекса циклин D-CDK4/6. Без p27 и p21 уровни циклина D снижаются, и комплекс не образуется на обнаруживаемых уровнях. [23]
У эукариот повышенная экспрессия фактора инициации трансляции 4E ( eIF4E ) приводит к повышению уровня белка циклина D и повышению количества мРНК циклина D за пределами ядра. [24] Это происходит потому, что eIF4E способствует экспорту мРНК циклина D из ядра. [25]
Ингибирование циклина D посредством инактивации или деградации приводит к выходу из клеточного цикла и дифференциации. Инактивация циклина D запускается несколькими белками-ингибиторами циклинзависимой киназы (CKI), такими как семейство INK4 (например, p14 , p15 , p16 , p18 ). Белки INK4 активируются в ответ на гиперпролиферативный стресс, который ингибирует пролиферацию клеток из-за сверхэкспрессии, например, Ras и Myc. Следовательно, INK4 связывается с циклин D-зависимыми CDK и инактивирует весь комплекс. [3] Гликогенсинтаза киназа три бета, GSK3β , вызывает деградацию циклина D путем ингибирующего фосфорилирования треонина 286 белка циклина D. [26] GSK3β отрицательно контролируется путем PI3K в форме фосфорилирования, что является одним из нескольких способов, с помощью которых факторы роста регулируют циклин D. Количество циклина D в клетке также может регулироваться транскрипционной индукцией, стабилизацией белка, его транслокацией в ядро и его сборкой с Cdk4 и Cdk6. [27]
Было показано, что ингибирование циклина D (в частности, циклина D1 и 2) может быть результатом индукции белка WAF1/ CIP1 /p21 с помощью ФДТ. Ингибируя циклин D, эта индукция также ингибирует Ckd2 и 6. Все эти процессы в совокупности приводят к остановке клетки на стадии G0/G1. [5]
Существует два способа, которыми повреждение ДНК влияет на Cdks. После повреждения ДНК циклин D (циклин D1) быстро и временно разрушается протеасомой при его убиквитинировании убиквитинлигазой CRL4 - AMBRA1 . [ 28] Эта деградация вызывает высвобождение p21 из комплексов Cdk4, что инактивирует Cdk2 независимым от p53 образом. Другим способом, которым повреждение ДНК воздействует на Cdks, является p53 -зависимая индукция p21, которая ингибирует комплекс циклин E-Cdk2. В здоровых клетках дикий тип p53 быстро разрушается протеасомой. Однако повреждение ДНК приводит к его накоплению, делая его более стабильным. [3]
Упрощение в дрожжах заключается в том, что все циклины связываются с одной и той же субъединицей Cdc, Cdc28. Циклины в дрожжах контролируются экспрессией, ингибированием посредством CKI, таких как Far1, и деградацией посредством протеолиза, опосредованного убиквитином . [29]
Учитывая, что многие виды рака у человека возникают в ответ на ошибки в регуляции клеточного цикла и во внутриклеточных путях, зависящих от факторов роста, участие циклина D в контроле клеточного цикла и передаче сигналов факторов роста делает его возможным онкогеном . В нормальных клетках перепроизводство циклина D сокращает продолжительность только фазы G1, и, учитывая важность циклина D в передаче сигналов факторов роста, дефекты в его регуляции могут быть ответственны за отсутствие регуляции роста в раковых клетках. Неконтролируемая продукция циклина D влияет на количество образующегося комплекса циклин D-Cdk4, который может провести клетку через контрольную точку G0/S, даже если факторы роста отсутствуют.
Доказательства того, что циклин D1 необходим для опухолеобразования, включают открытие, что инактивация циклина D1 антисмысловым [30] или делецией гена [31] снижает рост опухолей молочной железы и желудочно-кишечного тракта [32] in vivo. Сверхэкспрессия циклина D1 достаточна для индукции опухолеобразования молочной железы, [33] приписываемого индукции пролиферации клеток, повышению выживаемости клеток, [34] индукции хромосомной нестабильности, [35] [36] сдерживанию аутофагии [37] [38] и потенциально неканоническим функциям. [39]
Сверхэкспрессия индуцируется в результате амплификации гена, фактора роста или онкогена, вызванной экспрессией Src, [40] Ras, [7] ErbB2, [30] STAT3, [41] STAT5, [42] нарушенной деградацией белка или хромосомной транслокацией. Амплификация гена ответственна за сверхпродукцию белка циклина D при раке мочевого пузыря и карциноме пищевода , среди прочих. [5]
В случаях сарком , колоректального рака и меланомы отмечается повышенная продукция циклина D, однако без амплификации хромосомной области, которая его кодирует ( хромосома 11q 13, предполагаемый онкоген PRAD1, который был идентифицирован как событие транслокации в случае лимфомы мантийных клеток [43] ). При аденоме паращитовидных желез повышенная продукция циклина D вызвана хромосомной транслокацией, которая помещает экспрессию циклина D (точнее, циклина D1) под неподходящий промотор , что приводит к сверхэкспрессии. В этом случае ген циклина D был транслоцирован в ген паратиреоидного гормона , и это событие вызвало аномальные уровни циклина D. [5] Те же механизмы сверхэкспрессии циклина D наблюдаются в некоторых опухолях В-клеток, продуцирующих антитела . Аналогично, сверхэкспрессия белка циклина D из-за транслокации гена наблюдается при раке молочной железы человека . [5] [44]
Кроме того, развитию рака также способствует тот факт, что белок-супрессор опухолей ретинобластомы (Rb), один из ключевых субстратов комплекса циклин D-Cdk 4/6, довольно часто мутирует в опухолях человека . В своей активной форме Rb предотвращает пересечение контрольной точки G1, блокируя транскрипцию генов, ответственных за продвижение в клеточном цикле. Комплекс циклин D/Cdk4 фосфорилирует Rb, что инактивирует его и позволяет клетке пройти через контрольную точку. В случае аномальной инактивации Rb в раковых клетках теряется важный регулятор прогрессирования клеточного цикла. Когда Rb мутирует, уровни циклина D и p16INK4 нормальные. [5]
Другим регулятором прохождения через точку рестрикции G1 является ингибитор Cdk p16, который кодируется геном INK4. P16 функционирует в инактивации комплекса циклин D/Cdk 4. Таким образом, блокирование транскрипции гена INK4 увеличит активность циклин D/Cdk4, что, в свою очередь, приведет к аномальной инактивации Rb. С другой стороны, в случае циклина D в раковых клетках (или потери p16INK4) сохраняется Rb дикого типа. Из-за важности пути p16INK/циклин D/Cdk4 или 6/Rb в передаче сигналов фактора роста мутации в любом из вовлеченных игроков могут привести к возникновению рака. [5]
Исследования с мутантами показывают, что циклины являются положительными регуляторами входа в клеточный цикл. У дрожжей экспрессия любого из трех циклинов G1 запускает вход в клеточный цикл. Поскольку прогрессирование клеточного цикла связано с размером клетки, мутации в циклине D и его гомологах показывают задержку входа в клеточный цикл, и, таким образом, клетки с вариантами циклина D имеют больший, чем обычно, размер клеток при делении клеток. [45] [46]
Фенотип с нокаутом p27 − / − показывает перепроизводство клеток, поскольку циклин D больше не ингибируется, в то время как нокауты p27 − / − и циклина D − / − развиваются нормально. [45] [46]
{{cite book}}
: |work=
проигнорировано ( помощь )