Циклин-зависимый киназный комплекс
Структура комплекса Cdk2–циклин A–p27, определенная с помощью рентгеновской кристаллографии, показывает, что ингибитор p27 (красный) тянется через верхнюю часть комплекса циклин–Cdk. В структуре показана только аминоконцевая область p27. Аминоконцевой конец этого фрагмента содержит мотив RXL, который взаимодействует с гидрофобным участком циклина A. Карбоксиконцевой конец фрагмента p27 активно взаимодействует с бета-слоем Cdk2, вызывая обширные нарушения его структуры; p27 также встраивается в сайт связывания АТФ Cdk2 и напрямую ингибирует связывание АТФ. (PDB 1jsu)

Циклин -зависимый киназный комплекс ( CDKC , cyclin-CDK ) представляет собой белковый комплекс, образованный путем ассоциации неактивной каталитической субъединицы протеинкиназы, циклин-зависимой киназы (CDK), с регуляторной субъединицей, циклином . [1] После того, как циклин-зависимые киназы связываются с циклином, образованный комплекс находится в активированном состоянии. Субстратная специфичность активированного комплекса в основном устанавливается ассоциированным циклином в комплексе. Активность CDKC контролируется фосфорилированием целевых белков, а также связыванием ингибирующих белков. [2]

Структура и регулирование

Связывание циклина само по себе вызывает частичную активацию Cdks, но полная активация также требует активации фосфорилирования CAK. В клетках животных CAK фосфорилирует субъединицу Cdk только после связывания циклина, и поэтому два этапа активации Cdk обычно упорядочены, как показано здесь, причем связывание циклина происходит первым. Почкующиеся дрожжи содержат другую версию CAK, которая может фосфорилировать Cdk даже в отсутствие циклина, и поэтому два этапа активации могут происходить в любом порядке. Во всех случаях CAK имеет тенденцию быть в постоянном избытке в клетке, так что связывание циклина является этапом, ограничивающим скорость активации Cdk.
Центральный сайт распознавания субстрата на Cdks находится в активном сайте T-петли, которая взаимодействует с консенсусной последовательностью SPXK, содержащей сайт фосфорилирования (см. Рисунок 3-12). Мотив RXL в некоторых субстратах взаимодействует с гидрофобным участком на циклине, тем самым увеличивая скорость фосфорилирования. Наличие фосфатсвязывающего кармана на дополнительной субъединице Cks1 может облегчать взаимодействие с мишенями, содержащими несколько сайтов фосфорилирования.

Структура CDK в комплексе с субъединицами циклина (CDKC) долгое время была целью структурных и клеточных биологов, начиная с 1990-х годов, когда структура несвязанного циклина А была решена Брауном и др., и в том же году Джеффри и др. решили структуру комплекса циклин А человека-CDK2 с разрешением 2,3 ангстрема. [3] С тех пор многие структуры CDK были определены с более высоким разрешением, включая структуры CDK2 и CDK2, связанных с различными субстратами, как показано на рисунке 1. Структуры с высоким разрешением существуют примерно для 25 комплексов CDK-циклин в общей сложности в Банке данных белков . [4] На основе функции существует две основные популяции структур комплекса CDK-циклин, открытая и закрытая форма. Разница между формами заключается в связывании партнеров циклина, где комплексы закрытой формы имеют связывание CDK-циклина как на C, так и на N-концах активационной петли CDK, тогда как партнеры открытой формы связываются только на N-конце. Структуры открытой формы чаще всего соответствуют тем комплексам, которые участвуют в регуляции транскрипции (CDK 8, 9, 12 и 13), в то время как комплексы закрытой формы CDK-циклин чаще всего участвуют в прогрессии и регуляции клеточного цикла (CDK 1, 2, 6). Эти различные роли, однако, существенно не отличаются от гомологии последовательностей между компонентами CDK. В частности, среди этих известных структур, по-видимому, есть четыре основных консервативных региона: N-концевая петля, богатая глицином, шарнирная область, αC-спираль и участок регуляции T-петли. [4]

Активационный цикл

Активационная петля , также называемая T-петлей, представляет собой область CDK (между мотивами DFG и APE во многих CDK) [4] , которая ферментативно активна, когда CDK связана со своим функционально-специфическим партнером. В комплексах CDK-циклин эта область активации состоит из консервативной спирали αL-12 и содержит ключевой фосфорилируемый остаток (обычно треонин для партнеров CDK-циклин, но также включает серин и тирозин), который опосредует ферментативную активность CDK. Именно в этом существенном остатке (T160 в комплексах CDK2, T177 в комплексах CDK6) происходит ферментативное АТФ-фосфорилирование комплексов CDK-циклин с помощью CAK (циклин-активирующая киназа, относящаяся к комплексу CDK7-циклин H в клетках человека). После гидролиза АТФ для фосфорилирования в этом месте эти комплексы способны завершить свою предполагаемую функцию, фосфорилирование клеточных мишеней. Важно отметить, что в CDK 1, 2 и 6 T-петля и отдельная C-концевая область являются основными участками связывания циклина в CDK, и то, какие циклины связаны с каждым из этих CDK, опосредовано конкретной последовательностью T-петли сайта активации. Эти участки связывания циклина являются областями наибольшей изменчивости в CDK, несмотря на относительно высокую гомологию последовательностей, окружающих мотив спирали αL-12 этого структурного компонента. [4]

Богатый глицином регион

Петля , богатая глицином (петля, богатая Gly), как видно в остатках 12-16 в CDK2, кодирует консервативный мотив GXGXXG как в моделях дрожжей, так и животных. Регуляторная область подвержена дифференциальному фосфорилированию неглициновых остатков в пределах этого мотива, что делает этот сайт подверженным фосфорилированию ингибиторной киназы Wee1 и/или Myt1 и дефосфорилированию Cdc25 у млекопитающих. Это обратимое фосфорилирование в петле, богатой Gly, в CDK2 происходит в Y15, где активность была дополнительно изучена. Изучение этого остатка показало, что фосфорилирование способствует конформационному изменению, которое предотвращает связывание АТФ и субстрата путем стерического вмешательства с этими необходимыми сайтами связывания в петле активации комплексов CDK-циклин. Эта активность поддерживается заметной гибкостью, которую имеет богатая глицином петля в структуре большинства CDK, что позволяет ей вращаться в направлении активационной петли, что оказывает значительное влияние на снижение сродства к субстрату без существенных изменений в общей структуре комплекса CDK-циклин. [3] [5]

Шарнирная область

Консервативная шарнирная область CDK в эукариотических клетках действует как существенный мост между петлей, богатой глицином, и петлей активации. CDK характеризуются N-концевой долей, которая в основном представляет собой скрученный бета-слой, соединенный через эту шарнирную область с доминируемой альфа-спиралью C-концевой долей. При обсуждении T-петли и петли, богатой глицином, важно отметить, что эти области, которые должны иметь возможность пространственно взаимодействовать для выполнения своих биохимических функций, лежат на противоположных долях самой CDK. Таким образом, эта шарнирная область, которая может немного различаться по длине между типом CDK и комплексом CDK-циклин, соединяет существенные регуляторные области CDK, соединяя эти доли, и играет ключевую роль в результирующей структуре комплексов CDK-циклин, правильно ориентируя АТФ для легкого катализа реакций фосфорилирования собранным комплексом. [3] [4]

αC-спираль

Область αC-спирали высококонсервативна во многих киномах млекопитающих (семейство киназ ). Ее основная обязанность заключается в поддержании аллостерического контроля активного участка киназы. Этот контроль проявляется в комплексах CDK-циклин, специфически предотвращая активность CDK до тех пор, пока она не свяжется со своим партнером-регулятором (т. е. циклином или другим партнерским белком). Это связывание вызывает конформационное изменение в области αC-спирали CDK и позволяет ей переместиться из щели активного участка и завершить начальный процесс активации T-петли. Учитывая, что эта область столь консервативна во всем суперсемействе белков киназ, этот механизм, в котором было показано, что αC-спираль сворачивается из N-концевой доли киназы, что обеспечивает расширенный доступ к αL-12-спирали, которая находится внутри T-петли, считается потенциальной целью для разработки лекарственных средств. [6]

Клеточный цикл

Цикл дрожжевых клеток

Хотя эти комплексы имеют различные функции, CDKC наиболее известны своей ролью в клеточном цикле . Первоначально исследования проводились на Schizosaccharomyces pombe и Saccharomyces cerevisiae (дрожжи). S. pombe и S. cerevisiae наиболее известны своей ассоциацией с одним Cdk, Cdc2 и Cdc28 соответственно, которые образуют комплексы с несколькими различными циклинами. [7] В зависимости от циклина затрагиваются различные части клеточного цикла. Например, в S. pombe Cdc2 ассоциируется с Cdk13, образуя комплекс Cdk13-Cdc2. В S. cerevisiae ассоциация Cdc28 с циклинами, Cln1, Cln2 или Cln3, приводит к переходу из фазы G1 в фазу S. В фазе S Cln1 и ​​Cln2 диссоциируют с Cdc28, и образуются комплексы между Cdc28 и Clb5 или Clb6. В фазе G2 комплексы, образованные из ассоциации между Cdc28 и Clb1, Clb2, Clb3 или Clb4, приводят к переходу от фазы G 2 к фазе M (митотической). Эти комплексы присутствуют также в ранней фазе M. [2] См. Таблицу 1 для сводки CDKC дрожжей.

Таблица 1. CDKC, связанные с фазами клеточного цикла у дрожжей
ЦДКЦиклинФаза клеточного цикла
Cdc2 ( С. помбе )Cdc13Переход фазы G2 в M; ранняя фаза M
Cdc28 ( S. cerevisiae )Клн1, Клн2Переход фазы G1 в S
Cdc28Клб5, Клб6S-фаза
Cdc28Клб1, Клб2, Клб3, Клб4Переход фазы G2 в M; ранняя фаза M

На основе того, что известно о комплексах, образующихся во время каждой фазы клеточного цикла у дрожжей, были предложены модели, основанные на важных участках фосфорилирования и задействованных факторах транскрипции. [7] [8]

Клеточный цикл млекопитающих

Используя информацию, полученную в ходе исследований клеточного цикла дрожжей, был достигнут значительный прогресс в отношении клеточного цикла млекопитающих. Было установлено, что клеточные циклы схожи, и CDKCs, напрямую или косвенно, влияют на прогрессирование клеточного цикла. Как упоминалось ранее, у дрожжей только одна циклин-зависимая киназа (CDK) связана с несколькими различными циклинами. Однако в клетках млекопитающих несколько различных CDK связываются с различными циклинами, образуя CDKCs. Например, Cdk1 (также известный как человеческий Cdc2), первый идентифицированный человеческий CDK, ассоциируется с циклинами A или B. Комплексы CyclinA/B-Cdk1 управляют переходом между фазой G2 и фазой M, а также ранней фазой M. Другой млекопитающий CDK, Cdk2, может образовывать комплексы с циклинами D1, D2, D3, E или A. Cdk4 и Cdk6 взаимодействуют с циклинами D1, D2 и D3. [9] Исследования показали, что нет никакой разницы между CDKCs циклин D1-Cdk4/6, поэтому любые уникальные свойства, возможно, могут быть связаны с субстратной специфичностью или активацией. [1] В то время как уровни CDKs остаются довольно постоянными на протяжении всего клеточного цикла, уровни циклина колеблются. Колебания контролируют активацию комплексов циклин-CDK и, в конечном итоге, прогрессирование на протяжении всего цикла. [10] См. Таблицу 2 для сводки CDKCs клеток млекопитающих, участвующих в клеточном цикле.

Таблица 2. CDKC, связанные с фазами клеточного цикла в клетках млекопитающих [4]
ЦДКЦиклинФаза клеточного циклаБелки-партнеры, не являющиеся циклинами
Cdk1 (Cdc2)Циклины А и ВПереход фазы G2 в M; ранняя фаза MCks1 и Cks2
Cdk2Циклины D1, D2, D3Фаза G1KAP, Cks1, p27KIP1 и Spy-1
Cdk2Циклин ЕПереход фазы G1 в SKAP, Cks1, p27KIP1 и Spy-1
Cdk2Циклин АS-фазаKAP, Cks1, p27KIP1 и Spy-1
Cdk4Циклины D1, D2, D3Фаза G1HSP90-Cdc37
Cdk6Циклины D1, D2, D3Фаза G1p16INK4A, p19INK4D и P18INK4C-циклин К
Cdk8Циклин С------
Cdk9Циклин Т---Тат, AFF4 и TAR
Cdk12Циклин К------
Cdk13Циклин К------
Рисунок 1. Экспрессия циклинов A, B, D и E в фазах клеточного цикла .

Г1к прогрессированию S-фазы

Во время поздней фазы G 1 CDKC связывают и фосфорилируют членов семейства белков ретинобластомы (Rb) . Члены семейства белков Rb являются супрессорами опухолей, которые предотвращают неконтролируемую пролиферацию клеток, которая может произойти во время образования опухоли. Однако также считается, что pRb подавляют гены, необходимые для перехода из фазы G 1 в фазу S. Когда клетка готова перейти в следующую фазу, CDKC, циклин D1-Cdk4 и циклин D1-Cdk6 фосфорилируют pRB, за чем следует дополнительное фосфорилирование из циклина E-Cdk2 CDKC. [11] [12] После того, как происходит фосфорилирование, высвобождаются факторы транскрипции , которые необратимо инактивируют pRB, и происходит переход в фазу S клеточного цикла. [13] Циклин E-Cdk2 CDKC, образованный в фазе G 1 , затем помогает инициировать репликацию ДНК во время фазы S. [1]

Г2к прогрессированию фазы М

В конце фазы S циклин А связывается с Cdk1 и Cdk2. Во время фазы G2 циклин А деградирует, в то время как циклин В синтезируется и образуются комплексы циклин В-Cdk1. Комплексы циклин В-Cdk1 важны не только для перехода в фазу М, но и эти CDKC играют роль в следующих регуляторных и структурных процессах: [1]

  • Конденсация хромосом
  • Фрагментация сети Гольджи
  • Распад ядерной пластинки

Инактивация комплекса циклин B-Cdk1 посредством деградации циклина B необходима для выхода из фазы M клеточного цикла. [1]

Другой

Хотя большинство известных CDKCs вовлечены в клеточный цикл, не все комплексы киназ функционируют таким образом. Исследования показали, что другие CDKCs, такие как циклин k-Cdk9 и циклин T1-Cdk9, вовлечены в ответ на репликационный стресс , [14] и влияют на транскрипцию . [15] [16] [17] Кроме того, комплексы циклин H-Cdk7 могут играть роль в мейозе в мужских половых клетках, [18] и, как было показано, также вовлечены в транскрипционную активность. [1] [19]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdef Малумбрес М., Барбацид М. Циклинзависимые киназы млекопитающих. Trends Biochem. Sci. 2005 Ноябрь;30(11):630-41
  2. ^ ab Lodish H, Baltimore D, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Darnell J. 1995. Молекулярная клеточная биология. 3-е изд. Нью-Йорк: Scientific American Books
  3. ^ abc Кристи Левин, Фредерик Р. Кросс, Структурирование биологии клеточного цикла, Структура, Том 3, Выпуск 11, 1995, Страницы 1131-1134, ISSN 0969-2126, doi :10.1016/S0969-2126(01)00248-9.
  4. ^ abcdef Wood, DJ, & Endicott, JA (2018). Структурное понимание функционального разнообразия семейства CDK-циклинов. Открытая биология, 8(9), 180112.
  5. ^ Малумбрес: Циклинзависимые киназы. Геномная биология, 2014, 15:22, doi :10.1186/gb4184
  6. ^ Лоренцо Пальмиери, Джулио Растелли, Смещение спирали αC как общий подход к аллостерической модуляции протеинкиназ, Drug Discovery Today, том 18, выпуски 7–8, 2013, страницы 407–414, ISSN 1359-6446, doi :10.1016/j.drudis.2012.11.009.
  7. ^ ab Simon I, Barnett J, Hannett N, Harbison CT, Rinaldi NJ, Volkert TL, Wyrick JJ, Zeitlinger J, Gifford DK, Jaakkola TS, Young RA. Последовательная регуляция транскрипционных регуляторов в цикле дрожжевых клеток. Cell. 2001 21 сентября;106(6):697-708.
  8. ^ Barik D, Baumann WT, Paul MR, Novak B, Tyson JJ . Модель регуляции клеточного цикла дрожжей на основе многосайтового фосфорилирования. Mol Syst Biol. 2010 24 августа;6:405.
  9. ^ Малумбрес М., Барбацид М. Клеточный цикл, CDK и рак: меняющаяся парадигма. Nat Rev Cancer. 2009 март;9(3):153-66.
  10. ^ Vermeulen K, Van Bockstaele DR, Berneman ZN. Клеточный цикл: обзор регуляции, дерегуляции и терапевтических целей при раке. Cell Prolif. 2003 Jun;36(3):131-49.
  11. ^ Миттнахт С. Контроль фосфорилирования pRB. Curr Opin Genet Dev. 1998 февраль;8(1):21-7.
  12. ^ Кэлин В.Г. Младший. Функции белка ретинобластомы. Биоэссе. 1999 ноября;21(11):950-8.
  13. ^ Lundberg AS, Weinberg RA. Функциональная инактивация белка ретинобластомы требует последовательной модификации по крайней мере двумя различными комплексами циклин-cdk. Mol Cell Biol. 1998 Feb;18(2):753-61.
  14. ^ Ю Д.С., Чжао Р., Сюй Э.Л., Кайер Дж., Йе Ф, Го Ю, Шир Ю, Кортес Д. Функции циклин-зависимой киназы 9-циклин К в реакции репликационного стресса. Представительство EMBO, ноябрь 2010 г.;11(11):876-82.
  15. ^ Fu TJ, Peng J, Lee G, Price DH, Flores O. Циклин K функционирует как регуляторная субъединица CDK9 и участвует в транскрипции РНК-полимеразы II. J Biol Chem. 1999 Dec 3;274(49):34527-30.
  16. ^ Yang Z, Zhu Q, Luo K, Zhou Q. Малая ядерная РНК 7SK ингибирует киназу CDK9/циклин T1, контролируя транскрипцию. Nature. 2001 15 ноября;414(6861):317-22.
  17. ^ Ю ДС, Кортес Д. Роль CDK9-циклина К в поддержании целостности генома. Cell Cycle. 2011 1 января;10(1):28-32.
  18. ^ Ким Дж. М., Макгоги Дж. Т., Богл Р. К., Равник С. Э. Мейотическая экспрессия комплекса циклин H/Cdk7 в мужских половых клетках мыши. Biol Reprod. 2001 May;64(5):1400-8.
  19. ^ Patel SA, Simon MC. Функциональный анализ комплекса Cdk7.cyclin H.Mat1 в эмбриональных стволовых клетках и эмбрионах мыши. J Biol Chem. 2010 May 14;285(20):15587-98.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Циклин-зависимый_киназный_комплекс&oldid=1190263477"