Циклин D является членом семейства белков циклинов , который участвует в регуляции клеточного цикла . Синтез циклина D инициируется во время G1 и запускает фазовый переход G1/S . Белок циклин D имеет длину от 155 (у дрейссены ) до 477 (у дрозофилы ) аминокислот . [2]
Как только клетки достигают критического размера (и если у дрожжей нет партнера по спариванию) 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 человека хронологически разделены и запускаются комплексами циклин- Cdk , которые периодически экспрессируются и частично дублируют свои функции. Циклины — это эукариотические белки, которые образуют холоферменты с циклин-зависимыми протеинкиназами (Cdk), которые они активируют. Обилие циклинов обычно регулируется синтезом и деградацией белка посредством APC/C- и CRL -зависимых путей.
Циклин D является одним из основных производимых циклинов с точки зрения его функционального значения. Он взаимодействует с четырьмя Cdk: Cdk2 , 4 , 5 и 6 . В пролиферирующих клетках накопление комплекса циклин D-Cdk4/6 имеет большое значение для развития клеточного цикла. А именно, комплекс циклин D-Cdk4/6 частично фосфорилирует белок-супрессор опухоли ретинобластомы ( Rb ), ингибирование которого может индуцировать экспрессию некоторых генов (например, циклина E ), важных для прогрессирования S-фазы.
У дрозофилы и многих других организмов есть только один белок циклин D. У мышей и людей были идентифицированы еще два белка циклина D. Три гомолога, называемые циклин D1 , циклин D2 и циклин D3, экспрессируются в большинстве пролиферирующих клеток, и их относительные количества экспрессируются в разных типах клеток. [3]
Наиболее изученные гомологи циклина D обнаружены у дрожжей и вирусов .
Дрожжевой гомолог циклина D, называемый CLN3 , взаимодействует с Cdc28 (белком, контролирующим клеточное деление) во время G1.
В вирусах, таких как вирус герпеса Saimiriine 2 ( Herpesvirus saimiri ) и герпесвирус человека 8 ( HHV-8 / герпесвирус, ассоциированный с саркомой Капоши ), гомологи циклина D (один член хромосомной пары) приобрели новые функции, позволяющие манипулировать метаболизмом клетки-хозяина для польза вирусов. [4] Вирусный циклин D связывает Cdk6 человека и ингибирует Rb путем его фосфорилирования, что приводит к образованию свободных факторов транскрипции, которые приводят к транскрипции белка, которая способствует прохождению фазы G1 клеточного цикла. Помимо Rb, комплекс вирусного циклина D-Cdk6 также нацелен на p27 Kip , ингибитор Cdk циклинов E и A. Кроме того, вирусный циклин D-Cdk6 устойчив к ингибиторам Cdk, таким как p21 CIP1/ WAF1 и p16 INK4a , которые у человека клетки ингибируют Cdk4, не давая ему образовывать активный комплекс с циклином D. [4] [5]
Циклин D обладает третичной структурой, подобной другим циклинам, называемой циклиновой складкой. Он содержит ядро из двух компактных доменов, каждый из которых имеет пять альфа-спиралей. Первый пучок из пяти спиралей представляет собой консервативный циклиновый бокс, участок из примерно 100 аминокислотных остатков на всех циклинах, который необходим для связывания и активации Cdk. Второй пучок из пяти спиралей 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 разных аминокислотных остатков, как и один и тот же участок циклинов E, A и B. [6]
Факторы роста стимулируют Ras /Raf/ ERK , которые индуцируют выработку циклина D. [7] Один из участников пути, MAPK, активирует фактор транскрипции Myc , который изменяет транскрипцию генов, важных в клеточном цикле, среди которых 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 в переходе G1/S являются активные комплексы циклин D-Cdk4/6. Циклин D не оказывает влияния на переход G1/S, если он не образует комплекс с Cdk 4 или 6.
Одним из наиболее известных субстратов циклинов D/Cdk4 и -6 является белок-супрессор опухоли ретинобластомы ( Rb ). Rb является важным регулятором генов, ответственных за продвижение по клеточному циклу, в частности, через фазу G1/S.
Одна модель предполагает, что количество циклина D и, следовательно, активность циклина D-Cdk4 и -6 постепенно увеличивается во время G1, а не колеблется по заданной схеме, как это происходит с циклинами S и M. Это происходит в ответ на сенсоры внешних сигналов, регулирующих рост, и рост клеток, в результате чего Rb фосфорилируется. Rb снижает свое связывание с E2F и тем самым позволяет E2F-опосредованно активировать транскрипцию циклина E и циклина A, которые связываются с Cdk1 и Cdk2 соответственно, создавая комплексы, которые продолжают фосфорилирование Rb. [8] [9] Циклин А и Е-зависимые киназные комплексы также действуют, ингибируя убиквитинлигазу Е3 APC/C, активирующую субъединицу Cdh1, посредством фосфорилирования, которое стабилизирует такие субстраты, как циклин А. [10] Скоординированная активация этой последовательности взаимосвязанных положительных петли обратной связи через циклины и циклин-зависимые киназы стимулируют деление клеток до контрольной точки G1/S и после нее.
Другая модель предполагает, что уровни циклина D остаются почти постоянными на протяжении G1. [11] Rb монофосфорилируется в период от ранней до середины G1 с помощью циклина D-Cdk4,6, что противоречит идее о постепенном увеличении его активности. Циклин D-зависимый монофосфорилированный Rb по-прежнему взаимодействует с факторами транскрипции E2F таким образом, что ингибирует транскрипцию ферментов, которые управляют переходом G1/S. Скорее, E2F-зависимая транскрипционная активность увеличивается, когда активность Cdk2 увеличивается и гиперфосфорилирует Rb ближе к концу G1. [12] Rb, возможно, не единственная мишень для циклина D, способствующая пролиферации клеток и прохождению клеточного цикла. Комплекс циклин D-Cdk4,6 посредством фосфорилирования и инактивации метаболических ферментов также влияет на выживаемость клеток. Путем тщательного анализа различных спиралей, стыкующихся с Rb, был идентифицирован мотив консенсусной последовательности спирали, который можно использовать для идентификации потенциальных неканонических субстратов, которые циклин D-Cdk4,6 может использовать для стимулирования пролиферации. [13]
Докинг-мутации на основе RxL и LxCxE широко влияют на комплексы циклин-Cdk. Мутации ключевых остатков Rb, которые, как ранее наблюдалось, необходимы для взаимодействия стыковки комплекса Cdk, приводят к снижению общей киназной активности по отношению к Rb. Связывающая щель LxCxE в домене Rb-кармана, 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. Аналогичным образом, когда мотив RxL, который, как показано, взаимодействует с циклинами E и A S-фазы, удаляется, активность циклина D-Cdk4,6 снижается в 4,1 раза. Т.о., сайты стыковки на основе RxL- и LxCxE взаимодействуют с циклином D-Cdk4,6 так же, как и с др. циклинами, и их удаление оказывает умеренный эффект на прогрессию G1. [13]
Комплексы Cyclin D-Cdk 4,6 нацелены на фосфорилирование Rb посредством стыковки C-концевой спирали. Ранее было показано, что когда последние 37 аминокислотных остатков усекаются, уровни фосфорилирования Rb снижаются и индуцируется арест G1. [14] Кинетические анализы показали, что при таком 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]
С-конец имеет участок из 21 аминокислоты со склонностью к альфа-спирали. Удаление этой спирали или ее разрушение путем замены остатков пролина также приводит к значительному снижению фосфорилирования Rb. Ориентация остатков, а также кислотно-основные свойства и полярность имеют решающее значение для стыковки. Таким образом, сайты стыковки LxCxE, RxL и спирали взаимодействуют с разными 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. Это затрудняет эволюцию, в результате чего 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 мишени 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 α 1-спирали, который есть у всех циклинов D, не отвечает за распознавание С-концевой спирали. Скорее, он распознает линейные последовательности RxL, в том числе на Rb. В ходе экспериментов с очищенным циклином D1-Cdk2 был сделан вывод, что место стыковки спирали, вероятно, находится на циклине D, а не на Cdk4,6. В результате, вероятно, другая область циклина D узнает C-концевую спираль Rb.
Поскольку C-концевая спираль Rb связывает исключительно циклин D-Cdk4,6, а не другие комплексы циклин-Cdk, зависящие от клеточного цикла, в ходе экспериментов по мутации этой спирали в клетках HMEC [16] было убедительно показано, что взаимодействие циклин D-Rb имеет решающее значение в следующих ролях (1) способствует переходу G1/S (2) обеспечивает диссоциацию Rb от хроматина и (3) активацию E2F1.
Циклин D регулируется нижестоящим путем митогенных рецепторов через киназу Ras/MAP и пути β-катенин -Tcf/ LEF [17] и PI3K . [18] MAP-киназа ERK активирует нижестоящие факторы транскрипции Myc, AP-1 [7] и Fos [19] , которые, в свою очередь, активируют транскрипцию генов Cdk4 , Cdk6 и циклина D и увеличивают биогенез рибосом . ГТФазы семейства Rho , [20] интегрин-связанная киназа [21] и киназа фокальной адгезии ( FAK ) активируют ген циклина D в ответ на интегрин . [22]
p27 kip1 и p21 cip1 представляют собой ингибиторы циклин-зависимых киназ ( CKI ), которые отрицательно регулируют CDK. Однако они также являются промоторами комплекса циклин D-CDK4/6. Без p27 и p21 уровни циклина D снижаются, и комплекс не образуется на обнаруживаемых уровнях. [23]
У эукариот сверхэкспрессия фактора инициации трансляции 4E ( eIF4E ) приводит к повышению уровня белка циклина D и увеличению количества мРНК циклина D вне ядра. [24] Это связано с тем, что eIF4E способствует экспорту мРНК циклина D из ядра. [25]
Ингибирование циклина D посредством инактивации или деградации приводит к выходу из клеточного цикла и дифференцировке. Инактивация циклина D запускается несколькими белками-ингибиторами циклин-зависимых киназ (CKI), такими как семейство INK4 (например , p14 , p15 , p16 , p18 ). Белки INK4 активируются в ответ на гиперпролиферативную стрессовую реакцию, которая ингибирует пролиферацию клеток вследствие сверхэкспрессии, например, Ras и Myc. Следовательно, INK4 связывается с циклин-D-зависимыми CDK и инактивирует весь комплекс. [3] Киназа гликогенсинтазы три бета, GSK3β , вызывает деградацию циклина D путем ингибирования фосфорилирования треонина 286 белка циклина D. [26] GSK3β отрицательно контролируется путем PI3K в форме фосфорилирования, которое является одним из нескольких способов, которыми факторы роста регулируют циклин D. Количество циклина D в клетке также можно регулировать путем индукции транскрипции, стабилизации белка, его транслокация в ядро и сборка 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]
Есть два способа, которыми повреждение ДНК влияет на Cdks. После повреждения ДНК циклин D (циклин D1) быстро и временно разрушается протеасомой при его убиквитилировании с помощью убиквитинлигазы CRL4 - AMBRA1 . [28] Эта деградация вызывает высвобождение p21 из комплексов Cdk4, который инактивирует Cdk2 p53-независимым способом. Другим способом воздействия повреждения ДНК на Cdks является p53 -зависимая индукция p21, который ингибирует комплекс циклин E-Cdk2. В здоровых клетках р53 дикого типа быстро разрушается протеасомой. Однако повреждение ДНК приводит к его накоплению, делая его более стабильным. [3]
Упрощением для дрожжей является то, что все циклины связываются с одной и той же субъединицей Cdc, Cdc28. Циклины в дрожжах контролируются посредством экспрессии, ингибирования посредством CKI, таких как Far1, и деградации посредством убиквитин -опосредованного протеолиза . [29]
Учитывая, что многие виды рака у человека возникают в ответ на ошибки в регуляции клеточного цикла и во внутриклеточных путях, зависящих от фактора роста, участие циклина D в контроле клеточного цикла и передаче сигналов фактора роста делает его возможным онкогеном . В нормальных клетках перепроизводство циклина D сокращает продолжительность только фазы G1, и, учитывая важность циклина D в передаче сигналов фактора роста, дефекты в его регуляции могут быть ответственны за отсутствие регуляции роста в раковых клетках. Неконтролируемое производство 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 онкогенеза, включают данные о том, что инактивация циклина D1 путем антисмыслового [30] или делеции гена [31] снижает рост опухоли молочной железы и желудочно-кишечного тракта [32] in vivo. Сверхэкспрессия циклина D1 достаточна для индукции онкогенеза молочной железы, [33] связана с индукцией пролиферации клеток, увеличением выживаемости клеток, [34] индукцией хромосомной нестабильности, [35] [36] ограничением аутофагии [37] [38] и потенциально неканонические функции. [39]
Сверхэкспрессия индуцируется в результате амплификации гена, фактора роста или экспрессии, индуцированной онкогеном, с помощью Src, [40] Ras, [7] ErbB2, [30] STAT3, [41] STAT5, [42] нарушенной деградации белка или хромосомной транслокации. Амплификация гена ответственна, среди прочего, за перепроизводство белка циклина D при раке мочевого пузыря и карциноме пищевода . [5]
В случаях сарком , колоректального рака и меланомы отмечается перепроизводство циклина D, однако, без амплификации кодирующей его хромосомной области ( хромосома 11q 13, предполагаемый онкоген PRAD1, который был идентифицирован как событие транслокации в случае мантийных клеток). лимфома [43] ). При аденоме паращитовидной железы гиперпродукция 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 самые механизмы сверхэкспрессии циклина D наблюдаются в некоторых опухолях В-клеток , продуцирующих антитела . Аналогичным образом, сверхэкспрессия белка циклина D вследствие транслокации гена наблюдается при раке молочной железы человека . [5] [44]
Кроме того, развитию рака способствует и тот факт, что белок-супрессор опухоли 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 развитие клеточного цикла. Комплекс циклин D/Cdk4 фосфорилирует Rb, который 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 являются нормальными. [5]
Другим регулятором прохождения через точку рестрикции G1 является ингибитор Cdk p16, кодируемый геном INK4. Функция P16 инактивирует комплекс циклин D/Cdk 4. Таким образом, блокирование транскрипции гена INK4 приведет к увеличению активности циклина D/Cdk4, что, в свою очередь, приведет к аномальной инактивации Rb. С другой стороны, в случае циклина D в раковых клетках (или потери p16INK4) Rb дикого типа сохраняется. Из-за важности пути p16INK/циклин D/Cdk4 или 6/Rb в передаче сигналов фактора роста мутации любого из участвующих игроков могут привести к раку. [5]
Исследования с мутантами показывают, что циклины являются положительными регуляторами входа в клеточный цикл. У дрожжей экспрессия любого из трех циклинов G1 запускает вступление в клеточный цикл. Поскольку прогрессирование клеточного цикла связано с размером клетки, мутации в циклине D и его гомологах демонстрируют задержку входа в клеточный цикл, и, таким образом, клетки с вариантами циклина D имеют размер клеток, превышающий нормальный, при делении клеток. [45] [46]
Фенотип нокаута p27 - / - демонстрирует перепроизводство клеток, поскольку циклин D больше не ингибируется, в то время как нокауты p27 - / - и циклина D - / - развиваются нормально. [45] [46]
{{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь )