Циклинзависимые киназы (CDK) являются преобладающей группой серин/треониновых протеинкиназ, участвующих в регуляции клеточного цикла и его прогрессии, обеспечивая целостность и функциональность клеточного аппарата. Эти регуляторные ферменты играют решающую роль в регуляции эукариотического клеточного цикла и транскрипции , а также в репарации ДНК, метаболизме и эпигенетической регуляции в ответ на несколько внеклеточных и внутриклеточных сигналов. [1] [2] Они присутствуют у всех известных эукариот , и их регуляторная функция в клеточном цикле была эволюционно сохранена. [3] [4] Каталитическая активность CDK регулируется взаимодействием с ингибиторами CDK (CKI) и регуляторными субъединицами, известными как циклины. Циклины сами по себе не обладают ферментативной активностью, но они становятся активными, как только связываются с CDK. Без циклина CDK менее активен, чем в гетеродимерном комплексе циклин-CDK. [5] [6] CDK фосфорилируют белки по остаткам серина (S) или треонина (T). Специфичность CDK для их субстратов определяется последовательностью S/TPXK/R, где S/T — это сайт фосфорилирования, P — это пролин, X — это любая аминокислота, а последовательность заканчивается лизином (K) или аргинином (R). Этот мотив гарантирует, что CDK точно нацеливаются и модифицируют белки, что имеет решающее значение для регуляции клеточного цикла и других функций. [7] Дерегуляция активности CDK связана с различными патологиями, включая рак, нейродегенеративные заболевания и инсульт. [6]
Первоначально CDK были идентифицированы в ходе исследований на модельных организмах, таких как дрожжи и лягушки, что подчеркивает их ключевую роль в прогрессии клеточного цикла. Эти ферменты действуют, образуя комплексы с циклинами, уровни которых колеблются на протяжении клеточного цикла, тем самым обеспечивая своевременные переходы клеточного цикла. С годами понимание CDK расширилось за пределы деления клеток и включило роли в интеграции транскрипции генов клеточных сигналов. [7] [8]
Эволюционный путь CDK привел к появлению разнообразного семейства с определенными членами, посвященными фазам клеточного цикла или транскрипционному контролю. Например, почкующиеся дрожжи экспрессируют шесть различных CDK, некоторые из которых связывают несколько циклинов для контроля клеточного цикла, а другие связываются с одним циклином для регуляции транскрипции. У людей расширение до 20 CDK и 29 циклинов иллюстрирует их сложные регуляторные роли. Ключевые CDK, такие как CDK1, незаменимы для контроля клеточного цикла, в то время как другие, такие как CDK2 и CDK3, не являются таковыми. Более того, транскрипционные CDK, такие как CDK7 у людей, играют решающую роль в инициировании транскрипции путем фосфорилирования РНК-полимеразы II ( RNAPII ), что указывает на сложную связь между регуляцией клеточного цикла и управлением транскрипцией. Это эволюционное расширение от простых регуляторов до многофункциональных ферментов подчеркивает критическую важность CDK в сложных регуляторных сетях эукариотических клеток. [7]
В 2001 году ученые Леланд Х. Хартвелл, Тим Хант и сэр Пол М. Нерс были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за открытие ключевых регуляторов клеточного цикла. [9]
CDK является одной из предполагаемых 800 человеческих протеинкиназ . CDK имеют низкую молекулярную массу, и известно, что они неактивны сами по себе. Они характеризуются своей зависимостью от регуляторной субъединицы, циклина. Активация CDK также требует посттрансляционных модификаций, включающих реакции фосфорилирования . Это фосфорилирование обычно происходит на определенном остатке треонина, что приводит к конформационному изменению в CDK, которое усиливает ее киназную активность. [13] Активация образует комплекс циклин-CDK, который фосфорилирует определенные регуляторные белки, необходимые для инициирования этапов в клеточном цикле. [5]
В клетках человека семейство CDK состоит из 20 различных членов, которые играют решающую роль в регуляции клеточного цикла и транскрипции. Обычно их разделяют на CDK клеточного цикла, которые регулируют переходы клеточного цикла и деление клеток, и транскрипционные CDK, которые опосредуют транскрипцию генов. CDK1 , CDK2 , CDK3 , CDK4 , CDK6 и CDK7 напрямую связаны с регуляцией событий клеточного цикла, в то время как CDK7–11 связаны с регуляцией транскрипции. [1] Различные комплексы циклин-CDK регулируют различные фазы клеточного цикла, известные как фазы G0/G1, S, G2 и M, имеющие несколько контрольных точек для поддержания геномной стабильности и обеспечения точной репликации ДНК. [1] [5] Комплексы циклин-CDK более ранней фазы клеточного цикла помогают активировать комплексы циклин-CDK в более поздней фазе. [4]
Циклинзависимые киназы (CDK) в основном состоят из двухдольчатой конфигурации, что характерно для всех киназ в целом. CDK имеют специфические особенности в своей структуре, которые играют важную роль в их функционировании и регуляции. [2]
Активный сайт, или сайт связывания АТФ , во всех киназах представляет собой щель, расположенную между меньшей аминоконцевой долей и большей карбоксиконцевой долей. Исследования структуры человеческого CDK2 показали, что CDK имеют специально адаптированный сайт связывания АТФ, который может регулироваться посредством связывания циклина. Фосфорилирование CDK -активирующей киназой (CAK) в Thr160 в T-петле помогает увеличить активность комплекса. Без циклина гибкая петля, известная как активационная петля или T-петля, блокирует щель, а расположение нескольких ключевых аминокислот не является оптимальным для связывания АТФ. [2] [14] С циклином две альфа-спирали изменяют положение, чтобы обеспечить связывание АТФ. Одна из них, спираль L12, расположенная непосредственно перед T-петлей в первичной последовательности, трансформируется в бета-цепь и помогает реорганизовать T-петлю таким образом, чтобы она больше не блокировала активный сайт. Другая альфа-спираль, известная как спираль PSTAIRE, реорганизуется и помогает изменить положение ключевых аминокислот в активном центре. [6] [14]
Существует значительная специфичность, в которой циклин связывается с CDK. Более того, связывание циклина определяет специфичность комплекса циклин-CDK для определенных субстратов, подчеркивая важность различных путей активации, которые придают специфичность связывания циклина CDK1. Это иллюстрирует сложность и тонкую настройку в регуляции клеточного цикла посредством избирательного связывания и активации CDK соответствующими им циклинами. [15] [16]
Циклины могут напрямую связывать субстрат или локализовать CDK в субклеточной области, где находится субстрат. Сайт связывания RXL имел решающее значение для выявления того, как CDK селективно усиливают активность по отношению к определенным субстратам, облегчая стыковку субстрата. [17] Субстратная специфичность S-циклинов обеспечивается гидрофобной группой, которая имеет сродство к субстратным белкам, содержащим гидрофобный мотив RXL (или Cy). [4] Циклины B1 и B2 могут локализовать CDK1 в ядре и аппарате Гольджи, соответственно, через последовательность локализации вне области связывания CDK. [4] [16]
Для достижения полной активности киназы требуется активирующее фосфорилирование на треонине, прилегающем к активному сайту CDK. [18] Идентичность CDK-активирующей киназы (CAK), которая осуществляет это фосфорилирование, различается у разных модельных организмов. Время этого фосфорилирования также различается; в клетках млекопитающих активирующее фосфорилирование происходит после связывания циклина, тогда как в клетках дрожжей оно происходит до связывания циклина. Активность CAK не регулируется известными путями клеточного цикла, и именно связывание циклина является ограничивающим этапом для активации CDK. [4]
В отличие от активирующего фосфорилирования, ингибирующее фосфорилирование CDK имеет решающее значение для регуляции клеточного цикла. Различные киназы и фосфатазы контролируют их состояние фосфорилирования. Например, активность CDK1 контролируется балансом между киназами WEE1 , киназами Myt1 и фосфорилированием фосфатаз Cdc25c . Wee1, киназа, сохраняющаяся у всех эукариот, фосфорилирует CDK1 в Tyr 15. Myt1 может фосфорилировать как треонин (Thr 14), так и тирозин (Tyr 15). Фосфорилирование выполняется фосфатазами Cdc25c, удаляя фосфатные группы как из треонина, так и из тирозина. [1] [7] Это ингибирующее фосфорилирование помогает предотвратить прогрессирование клеточного цикла в ответ на такие события, как повреждение ДНК. Фосфорилирование не изменяет существенно структуру CDK, но снижает ее сродство к субстрату, тем самым ингибируя ее активность. Для продолжения клеточного цикла эти ингибирующие фосфаты должны быть удалены фосфатазами Cdc25 для реактивации CDK. [7]
Циклин-зависимый ингибитор киназы (CKI) — это белок, который взаимодействует с комплексом циклин-CDK для ингибирования активности киназы, часто во время фазы G1 или в ответ на внешние сигналы или повреждение ДНК. В клетках животных существует два основных семейства CKI: семейство INK4 (p16, p15, p18, p19) и семейство CIP/KIP (p21, p27, p57). Белки семейства INK4 специфически связываются с CDK4 и CDK6 и ингибируют их с помощью циклинов D-типа или CAK, в то время как семейство CIP/KIP предотвращает активацию гетеродимеров CDK-циклин, нарушая как связывание циклина, так и активность киназы. [6] [7] Эти ингибиторы имеют KID (домен ингибирования киназы) на N-конце, что облегчает их присоединение к циклинам и CDK. Их основная функция происходит в ядре, поддерживаемая последовательностью C-конца, которая обеспечивает их ядерную транслокацию. [2]
У дрожжей и Drosophila CKI являются сильными ингибиторами S- и M-CDK, но не ингибируют G1/S-CDK. Во время G1 высокие уровни CKI предотвращают возникновение событий клеточного цикла вне очереди, но не предотвращают переход через контрольную точку Start, которая инициируется через G1/S-CDK. После начала клеточного цикла фосфорилирование ранними G1/S-CDK приводит к разрушению CKI, снимая ингибирование при более поздних переходах клеточного цикла. [4] 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. [2]
Методы ингибирования на основе лигандов включают использование малых молекул или лигандов, которые специфически связываются с CDK2 , который является важнейшим регулятором клеточного цикла. Лиганды связываются с активным сайтом CDK2, тем самым блокируя его активность. Эти ингибиторы могут либо имитировать структуру АТФ, конкурируя за активный сайт и предотвращая фосфорилирование белка, необходимое для прогрессирования клеточного цикла, либо связываться с аллостерическими сайтами, изменяя структуру CDK2, чтобы снизить его эффективность. [14]
CDK необходимы для контроля и регуляции клеточного цикла. Они связаны с малыми регуляторными субъединицами ( CKS ). В клетках млекопитающих известны два CKS: CKS1 и CKS2 . Эти белки необходимы для правильного функционирования CDK, хотя их точные функции еще не полностью известны. Взаимодействие происходит между CKS1 и карбокси-концевой долей CDK, где они связываются друг с другом. Это связывание увеличивает сродство комплекса циклин-CDK к его субстратам, особенно тем, которые имеют множественные сайты фосфорилирования, тем самым способствуя пролиферации клеток. [20]
Вирусы могут кодировать белки с последовательностью, гомологичной циклинам. Одним из наиболее изученных примеров является K-циклин (или v-циклин) из вируса герпеса саркомы Капоши (см. Саркома Капоши ), который активирует CDK6. Комплекс vCyclin-CDK6 способствует ускоренному переходу из фазы G1 в фазу S в клетке путем фосфорилирования pRb и высвобождения E2F. Это приводит к снятию ингибирования ферментативной активности циклина E–CDK2. Показано, что vCyclin способствует продвижению трансформации и опухолеобразования, в основном за счет его влияния на фосфорилирование p27 pSer10 и цитоплазматическую секвестрацию . [21]
Два типа белков, p35 и p39 , отвечают за повышение активности CDK5 во время нейрональной дифференциации в постнатальном развитии. [22] p35 и p39 играют решающую роль в уникальном механизме регуляции активности CDK5 в нейрональном развитии и формировании сетей. Активация CDK с этими кофакторами (p35 и p39) не требует фосфорилирования активационной петли, что отличается от традиционной активации многих других киназ. Это подчеркивает важность активации активности CDK5, которая имеет решающее значение для правильного нейронального развития, дендритных шипиков и образования синапсов, а также в ответ на эпилептические события. [22] [23]
Белки в группе RINGO/Speedy представляют собой выделяющуюся группу среди белков, которые не разделяют гомологию аминокислотной последовательности с семейством циклинов. Они играют решающую роль в активации CDK. Первоначально идентифицированные у Xenopus, эти белки в первую очередь связываются и активируют CDK1 и CDK2, несмотря на отсутствие гомологии с циклинами. Что особенно интересно, так это то, что CDK, активированные RINGO/Speedy, могут фосфорилировать другие сайты, чем те, на которые нацелены активируемые циклинами CDK, что указывает на уникальный способ действия для этих нециклиновых активаторов CDK. [24]
Нарушение регуляции CDK и циклинов нарушает координацию клеточного цикла, что делает их вовлеченными в патогенез нескольких заболеваний, в основном рака. Таким образом, исследования циклинов и циклин-зависимых киназ (CDK) имеют важное значение для углубления понимания характеристик рака. [2] [25] Исследования показали, что изменения в циклинах, CDK и ингибиторах CDK (CKI) распространены при большинстве видов рака, включая хромосомные транслокации, точечные мутации, вставки, делеции, сверхэкспрессию генов, мутации со сдвигом рамки считывания, миссенс-мутации или ошибки сплайсинга. [2]
Нарушение регуляции пути CDK4/6-RB является общей чертой многих видов рака, часто возникающей в результате различных механизмов, которые инактивируют комплекс циклин D-CDK4/6. Несколько сигналов могут привести к сверхэкспрессии циклина D и повышению активности CDK4/6, способствуя образованию опухолей. [1] [2] Кроме того, путь CDK4/6-RB взаимодействует с сигнальным путем p53 через транскрипцию p21CIP1, которая может ингибировать как комплексы циклин D-CDK4/6, так и циклин E-CDK2. Мутации в p53 могут деактивировать контрольную точку G1, что еще больше способствует неконтролируемой пролиферации. [1] [2]
Благодаря своей центральной роли в регуляции прогрессирования клеточного цикла и пролиферации клеток, CDK считаются идеальными терапевтическими мишенями для лечения рака. [25] Следующие ингибиторы CDK4/6 знаменуют собой значительный прогресс в лечении рака, предлагая таргетную терапию, которая эффективна и имеет управляемый профиль побочных эффектов.
Сложности разработки препарата CDK включают тот факт, что многие CDK не участвуют в клеточном цикле, а участвуют в других процессах, таких как транскрипция, нейронная физиология и гомеостаз глюкозы. [30] Однако необходимы дополнительные исследования, поскольку нарушение пути, опосредованного CDK, имеет потенциально серьезные последствия; хотя ингибиторы CDK кажутся многообещающими, необходимо определить, как можно ограничить побочные эффекты, чтобы затронуть только целевые клетки. Поскольку такие заболевания в настоящее время лечатся глюкокортикоидами . [31] Сравнение с глюкокортикоидами служит для иллюстрации потенциальных преимуществ ингибиторов CDK, предполагая, что их побочные эффекты могут быть более узконаправленными или минимизированы. [32]