Циклинзависимый киназный комплекс - Cyclin-dependent kinase complex

Структура комплекса Cdk2-cyclin A-p27, как определено с помощью рентгеновской кристаллографии, показывает, что ингибитор p27 (красный) простирается через вершину комплекса cyclin-Cdk. В структуре показана только аминоконцевая область р27. Аминоконцевой конец этого фрагмента содержит мотив RXL, который взаимодействует с гидрофобным участком циклина А. Карбоксиконцевой конец фрагмента p27 широко взаимодействует с бета-листом Cdk2, вызывая обширные нарушения его структуры; p27 также вставляется в сайт связывания АТФ Cdk2 и непосредственно ингибирует связывание АТФ. (PDB 1jsu)

А циклин-зависимый киназный комплекс (CDKC, циклин-CDK) это белковый комплекс образованный ассоциацией неактивной каталитической субъединицы протеинкиназы, циклин-зависимая киназа (CDK), с регуляторной субъединицей, циклин.[1] Как только циклин-зависимые киназы связываются с циклином, образованный комплекс находится в активированном состоянии. Субстратная специфичность активированного комплекса в основном определяется связанным циклином внутри комплекса. 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 для полной активации также требуется активация фосфорилирования с помощью CAK. В клетках животных CAK фосфорилирует субъединицу Cdk только после связывания циклина, поэтому две стадии активации Cdk обычно упорядочены, как показано здесь, причем связывание циклина происходит первым. Бутонирующие дрожжи содержат другую версию CAK, которая может фосфорилировать Cdk даже в отсутствие циклина, и поэтому две стадии активации могут происходить в любом порядке. Во всех случаях CAK имеет тенденцию постоянно находиться в избытке в клетке, так что связывание циклина является лимитирующей стадией активации Cdk.
Центральный сайт распознавания субстрата на Cdks находится в Т-петле активного сайта, которая взаимодействует с консенсусной последовательностью SPXK, содержащей сайт фосфорилирования (см. Рис. 3-12). Мотив RXL в некоторых субстратах взаимодействует с гидрофобным участком на циклине, тем самым увеличивая скорость фосфорилирования. Присутствие фосфат-связывающего кармана на дополнительной субъединице Cks1 может облегчить взаимодействия с мишенями, которые содержат множественные сайты фосфорилирования.

Структура CDK в комплексе с субъединицей циклина (CDKC) долгое время являлась целью структурных и клеточных биологов, начиная с 1990-х годов, когда структура несвязанного циклина A была решена Brown et al. и в том же году Джеффри и др. решила структуру комплекса циклин A-CDK2 человека с разрешением 2,3 ангстрем.[3] С этого времени многие структуры CDK были определены с более высоким разрешением, включая структуры CDK2 и CDK2, связанные с различными субстратами, как показано на рисунке 1. Структуры высокого разрешения существуют примерно для 25 комплексов CDK-циклин в целом в пределах Банк данных белков.[4] В зависимости от 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 связываются с CDK-циклином как на C, так и на N-концах петли активации CDK, тогда как партнеры открытой формы связываются только на N-конце. Структуры открытой формы чаще всего соответствуют комплексам, участвующим в регуляции транскрипции (CDK 8, 9, 12 и 13), тогда как комплекс CDK-циклин закрытой формы чаще всего участвует 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 участка: N-концевая петля, богатая глицином, шарнирная область, αC-спираль и сайт регуляции T-петли.[4]

Цикл активации

В цикл активации, также называемая Т-петлей, является областью CDK (между мотивами DFG и APE во многих CDK)[4] который ферментативно активен, когда CDK связан со своим специфическим для функции 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 по этому важному остатку (T160 в комплексах CDK2, T177 в комплексах CDK6) происходит ферментативное АТФ-фосфорилирование комплексов CDK-циклин с помощью САК (активирующая циклин киназа, относящаяся к комплексу CDK7-циклин H в клетках человека). После гидролиза АТФ с целью фосфорилирования на этом участке эти комплексы способны выполнять свою намеченную функцию - фосфорилирование клеточных мишеней. Важно отметить, что в CDK 1, 2 и 6, Т-петля и отдельная С-концевая область являются основными сайтами связывания циклина в CDK, и то, какие циклины связаны с каждой из этих CDK, опосредуется конкретная последовательность сайта активации Т-петли. Эти сайты связывания циклина представляют собой области наибольшей изменчивости в CDK, несмотря на относительно высокую гомологию последовательностей, окружающих мотив спирали αL-12 этого структурного компонента.[4]

Богатый глицином регион

В глицин -богатая петля (Gly-богатая петля), как видно из остатков 12-16 в CDK2, кодирует консервативный мотив GXGXXG как на дрожжевых, так и на животных моделях. Регуляторная область подвержена дифференциальному фосфорилированию по неглициновым остаткам в этом мотиве, что делает этот сайт зависимым от Wee1 и / или Myt1 ингибирующее фосфорилирование киназы и Cdc25 дефосфорилирование у млекопитающих. Это обратимое фосфорилирование в Gly-богатой петле в CDK2 происходит на Y15, активность которого была дополнительно изучена. Исследование этого остатка показало, что фосфорилирование способствует конформационному изменению, которое предотвращает связывание АТФ и субстрата за счет стерического вмешательства в эти необходимые сайты связывания в петле активации комплексов CDK-циклин. Этой активности способствует заметная гибкость, которую Gly-богатая петля имеет в структуре большинства CDK, позволяя ее вращению в направлении петли активации оказывать значительное влияние на снижение сродства к субстрату без значительных изменений в общей структуре комплекса CDK-циклин.[3][5]

Шарнирная область

Консервативная шарнирная область CDK в эукариотических клетках действует как важный мост между Gly-богатой петлей и активационной петлей. CDK характеризуются N-концевой долей, которая в основном представляет собой скрученный бета-лист, соединенный через эту шарнирную область с С-концевой долей с преобладанием альфа-спирали. При обсуждении T-петли и Gly-богатой петли важно отметить, что эти регионы, которые должны быть способны пространственно взаимодействовать, чтобы выполнять свои биохимические функции, лежат на противоположных долях самой CDK. Таким образом, эта шарнирная область, длина которой может незначительно варьироваться в зависимости от типа CDK и комплекса CDK-циклин, соединяет важные регуляторные области CDK, соединяя эти доли, и играет ключевую роль в результирующей структуре комплексов CDK-циклин, правильно ориентируя АТФ. для облегчения катализа реакций фосфорилирования собранным комплексом. [3][4]

αC-спираль

Область αC-Helix высоко консервативна во многих киномах млекопитающих (семейство киназы ). Его основная обязанность - поддерживать аллостерический контроль активного сайта киназы. Этот контроль проявляется в комплексах CDK-циклин, специфически предотвращая активность CDK до тех пор, пока он не свяжется со своим партнером-регулятором (т.е.циклином или другим партнерским белком). Это связывание вызывает конформационные изменения в области αC-Helix CDK и позволяет ей перемещаться из расщелины активного сайта и завершает начальный процесс активации Т-петли. Учитывая, что эта область настолько консервативна в суперсемействе белков киназ, этот механизм, при котором αC-спираль, как было показано, сворачивается из N-концевой доли киназы, обеспечивая повышенный доступ к спирали αL-12, которая находится внутри Т-образная петля считается потенциальной мишенью для разработки лекарств.[6]

Клеточный цикл

Цикл дрожжевых клеток

Хотя эти комплексы выполняют множество функций, CDKC наиболее известны своей ролью в клеточный цикл. Изначально исследования проводились в Schizosaccharomyces pombe и Saccharomyces cerevisiae (дрожжи). С. Помбе и С. 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 С. Помбе, Cdc2 ассоциирует с Cdk13 с образованием комплекса Cdk13-Cdc2. В С. cerevisiae, ассоциация Cdc28 с циклинами, Cln1, Cln2 или Cln3, приводит к переходу от фазы G1 к Фаза S. Оказавшись в S-фазе, Cln1 и ​​Cln2 диссоциируют с Cdc28 и образуются комплексы между Cdc28 и Clb5 или Clb6. В фазе G2 комплексы, образованные в результате ассоциации между Cdc28 и Clb1, Clb2, Clb3 или Clb4, приводят к развитию от г2 фаза в фазу M (митотическая). Эти комплексы присутствуют и в ранней М.[2] См. Таблицу 1 для обзора дрожжевых CDKC.

Таблица 1. CDKC, ассоциированные с фазами клеточного цикла дрожжей
CDKЦиклинФаза клеточного цикла
Cdc2 (С. Помбе)Cdc13Фазовый переход G2 в M; ранняя фаза M
Cdc28 (С. cerevisiae)Cln1, Cln2Фазовый переход G1 в S
Cdc28Clb5, Clb6Фаза S
Cdc28Clb1, Clb2, Clb3, Clb4Фазовый переход G2 в M; ранняя фаза M

Из того, что известно о комплексах, образующихся во время каждой фазы клеточного цикла у дрожжей, появились предложенные модели, основанные на важных сайтах 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 определено, что клеточные циклы подобны и CDKC прямо или косвенно влияют на развитие клеточного цикла. Как упоминалось ранее, у дрожжей только одна циклин-зависимая киназа (CDK) связана с несколькими разными циклинами. Однако в клетках млекопитающих несколько разных CDK связываются с различными циклинами с образованием CDKC. Например, Cdk1 (также известный как Cdc2 человека), первая идентифицированная CDK человека, ассоциируется с циклинами. А или B. Комплексы CyclinA / B-Cdk1 управляют переходом между фазой G2 и фазой M, а также ранней фазой M. Другой CDK млекопитающих, 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 между CDKCs cyclin D1-Cdk4 / 6 нет разницы, поэтому любые уникальные свойства могут быть связаны со специфичностью или активацией субстрата.[1] В то время как уровни CDK остаются довольно постоянными на протяжении клеточного цикла, уровни циклина колеблются. Колебание контролирует активацию комплексов циклин-CDK и, в конечном итоге, прогрессирование на протяжении всего цикла.[10] См. Таблицу 2 для обзора CDKC клеток млекопитающих, участвующих в клеточном цикле.

Таблица 2. CDKC, ассоциированные с фазами клеточного цикла в клетках млекопитающих[4]
CDKЦиклинФаза клеточного циклаНециклиновые партнерские белки
Cdk1 (Cdc2)Циклины А и ВФазовый переход G2 в M; ранняя фаза MCks1 и Cks2
Cdk2Циклины D1, D2, D3Фаза G1KAP, Cks1, p27KIP1 и Spy-1
Cdk2Циклин EФазовый переход G1 в SKAP, Cks1, p27KIP1 и Spy-1
Cdk2Циклин АФаза SKAP, Cks1, p27KIP1 и Spy-1
Cdk4Циклины D1, D2, D3Фаза G1HSP90-Cdc37
Cdk6Циклины D1, D2, D3Фаза G1p16INK4A, p19INK4D и P18INK4C-cyclin K
Cdk8Циклин С------
Cdk9Циклин Т---Tat, AFF4 и TAR
Cdk12Циклин К------
Cdk13Циклин К------
Рисунок 1. Экспрессия циклинов A, B, D и E через фазы клеточный цикл.

г1 переход в фазу S

В конце G1 фазы, CDKC связывают и фосфорилируют члены белок ретинобластомы (Rb) семья. Члены семейства белков Rb являются супрессорами опухолей, которые предотвращают неконтролируемую пролиферацию клеток, которая могла бы происходить во время образования опухоли. Однако считается, что pRbs репрессируют гены, необходимые для перехода от G1 от фазы к фазе S. Когда клетка готова перейти в следующую фазу, CDKC, циклин D1-Cdk4 и циклин D1-Cdk6 фосфорилируют pRB с последующим дополнительным фосфорилированием из циклина E-Cdk2 CDKC.[11][12] Как только происходит фосфорилирование, факторы транскрипции затем высвобождаются для необратимой инактивации pRB, и следует переход в S-фазу клеточного цикла.[13] Циклин E-Cdk2 CDKC образуется в G1 Затем фаза способствует инициации репликации ДНК во время фазы S.[1]

г2 к прогрессии фазы M

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

  • Хромосомная конденсация
  • Фрагментация сети Гольджи
  • Разрушение ядерной пластинки

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

Другой

Хотя большинство известных CDKC участвуют в клеточном цикле, не все киназные комплексы функционируют таким образом. Исследования показали, что другие CDKC, такие как циклин k-Cdk9 и циклин T1-Cdk9, участвуют в репликационный стресс ответ,[14] и влияние транскрипция.[15][16][17] Кроме того, комплексы циклин H-Cdk7 могут играть роль в мейоз в мужских половых клетках,[18] и было показано, что он также участвует в транскрипционной активности.[1][19]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж Malumbres M, Barbacid M. Циклинзависимые киназы млекопитающих. Trends Biochem. Sci. 2005 ноя; 30 (11): 630-41
  2. ^ а б Лодиш Х, Балтимор Д., Берк А, Зипурски С.Л., Мацудаира П., Дарнелл Дж. 1995. Молекулярная клеточная биология. 3-е изд. Нью-Йорк: Книги Scientific American
  3. ^ а б c Кристи Левин, Фредерик Р. Кросс, Структурирование биологии клеточного цикла, Структура, Том 3, Выпуск 11, 1995, страницы 1131-1134, ISSN 0969-2126, https://doi.org/10.1016/S0969-2126(01)00248 -9.
  4. ^ а б c d е ж Вуд, Д. Дж., И Эндикотт, Дж. А. (2018). Структурные сведения о функциональном разнообразии семейства CDK-циклинов. Открытая биология, 8 (9), 180112.
  5. ^ Malumbres: циклин-зависимые киназы. Геномная биология, 2014, 15:22, DOI: 10.1186 / gb4184
  6. ^ Лоренцо Пальмиери, Джулио Растелли, смещение спирали αC как общий подход для аллостерической модуляции протеинкиназ, Drug Discovery Today, том 18, выпуски 7–8, 2013 г., страницы 407-414, ISSN 1359-6446, https: // doi. org / 10.1016 / j.drudis.2012.11.009.
  7. ^ а б Саймон И., Барнетт Дж., Ханнетт Н., Харбисон Коннектикут, Ринальди Нью-Джерси, Фолькерт Т.Л., Вайрик Дж. Дж., Цайтлингер Дж., Гиффорд Д.К., Яаккола Т.С., Янг Р.А. Серийная регуляция транскрипционных регуляторов в клеточном цикле дрожжей. Cell. 2001 21 сентября; 106 (6): 697-708.
  8. ^ Барик Д., Бауманн В. Т., Пол М. Р., Новак Б., Тайсон Дж.. Модель регуляции клеточного цикла дрожжей, основанная на многосайтовом фосфорилировании. Mol Syst Biol. 2010 24 августа; 6: 405.
  9. ^ Malumbres M, Barbacid M. Клеточный цикл, CDK и рак: меняющаяся парадигма. Nat Rev Рак. 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 июн; 36 (3): 131-49.
  11. ^ Митнахт С. Контроль фосфорилирования pRB. Curr Opin Genet Dev. 1998 Февраль; 8 (1): 21-7.
  12. ^ Kaelin WG Jr. Функции белка ретинобластомы. Биологические исследования. 1999 ноя; 21 (11): 950-8.
  13. ^ Лундберг А.С., Вайнберг Р.А.. Функциональная инактивация белка ретинобластомы требует последовательной модификации по крайней мере двумя различными комплексами циклин-cdk. Mol Cell Biol. 1998 Февраль; 18 (2): 753-61.
  14. ^ Yu DS, Zhao R, Hsu EL, Cayer J, Ye F, Guo Y, Shyr Y, Cortez D. Функции циклин-зависимой киназы 9-циклина K в ответе на стресс репликации. EMBO Rep.2010 ноябрь; 11 (11): 876-82.
  15. ^ Fu TJ, Peng J, Lee G, Price DH, Flores O. Cyclin K функционирует как регуляторная субъединица CDK9 и участвует в транскрипции РНК-полимеразы II. J Biol Chem. 1999, 3 декабря; 274 (49): 34527-30.
  16. ^ Yang Z, Zhu Q, Luo K, Zhou Q. Малая ядерная РНК 7SK ингибирует киназу CDK9 / cyclin T1 для контроля транскрипции. Природа. 2001 15 ноября; 414 (6861): 317-22.
  17. ^ Ю. Д. С., Кортез Д. Роль CDK9-циклина K в поддержании целостности генома. Клеточный цикл. 2011, 1 января; 10 (1): 28-32.
  18. ^ Ким Дж. М., МакГоги Дж. Т., Богл Р.К., Равник С.Е. Мейотическая экспрессия комплекса циклин H / Cdk7 в мужских половых клетках мыши. Биол Репрод. 2001 Май; 64 (5): 1400-8.
  19. ^ Патель С.А., Саймон М.С. Функциональный анализ комплекса Cdk7.cyclin H.Mat1 в эмбриональных стволовых клетках и эмбрионах мыши. J Biol Chem. 2010 14 мая; 285 (20): 15587-98.