Кіріспе
Энзимдер класы Циклинге тәуелді киназалар (CDK) – жасуша циклын реттеу және оның дамуына қатысатын серин/треонин протеин киназаларының басым тобы, жасушалық құрылымның тұтастығы мен қызметін қамтамасыз етеді. Бұл реттегіш ферменттер эукариоттық жасуша циклын және транскрипцияны реттеуде, сондай-ақ жасушадан тыс және ішкі сигналдарға жауап ретінде ДНҚ жөндеуде, метаболизмде және эпигенетикалық реттеуде маңызды рөл атқарады. Олар барлық белгілі эукариоттарда кездеседі және жасуша циклындағы реттеуші функциялары эволюциялық тұрғыдан сақталған. CDK-ның каталитикалық белсенділігі CDK ингибиторлары (CKI) және циклиндер деп аталатын реттегіш субъединицалармен өзара әрекеттесу арқылы реттеледі. Циклиндердің өздері ферменттік белсенділігі жоқ, бірақ CDK-мен байланысқаннан кейін белсенді болады. Циклинсіз CDK, циклинді CDK гетеродимер кешеніне қарағанда аз белсенді болады. CDK-лар серин (S) немесе треонин (T) қалдықтарындағы белоктарды фосфорилирлейді. CDK-лардың субстраттарға қатысты ерекшелігі S/T P X K/R тізбегімен анықталады, мұнда S/T – фосфорильдеу орны, P – пролин, X – кез келген аминқышқылы, ал тізбек лизинмен (K) немесе аргининмен (R) аяқталады. Бұл мотив CDK-лардың жасуша циклын және басқа да функцияларды реттеу үшін маңызды белоктарды дәл нысанаға алуын және өзгертуін қамтамасыз етеді. CDK белсенділігінің бұзылуы қатерлі ісік, нейродегенеративті аурулар және инсульт сияқты әртүрлі патологиялармен байланысты. CDK-ның эволюциялық жолы жасуша циклының фазаларына немесе транскрипциялық бақылауға арналған нақты мүшелері бар әртүрлі отбасыға әкелді. Мысалы, қабыршақ дрожжасында алты түрлі CDK экспрессленеді, олардың кейбіреулері жасуша циклын бақылау үшін бірнеше циклинмен, ал басқалары транскрипцияны реттеу үшін бір циклинмен байланысады. Адамда 20 CDK және 29 циклинге дейін кеңеюі олардың күрделі реттеуші рөлдерін көрсетеді. CDK1 сияқты негізгі CDK-лар жасуша циклын бақылау үшін қажет, ал CDK2 және CDK3 сияқты басқалары қажет емес. Сонымен қатар, адамдағы CDK7 сияқты транскрипциялық CDK-лар РНК полимераза II (RNAPII) фосфорилирлеу арқылы транскрипцияны бастауда маңызды рөл атқарады, бұл жасуша циклын реттеу мен транскрипциялық басқару арасындағы күрделі байланысты көрсетеді. Бұл эволюциялық кеңею қарапайым регуляторлардан көпфункционалды ферменттерге дейін эукариоттық жасушалардың күрделі реттеуші желілерінде CDK-ның маңыздылығын көрсетеді. Лиланд Х. Хартвелл (туған ж. 1929): 1971 жылы дрожжаны зерттеу арқылы Хартвелл жасушаның бөлінуіне қажетті маңызды гендерді анықтап, жасуша циклының кезеңдерін және қатерлі жасушаның бөлінуін болдырмау үшін қажетті бақылау бекеттерін белгіледі. Тим Хант (туған ж. 1943): 1980-ші жылдары теңіз егіздерін зерттеу арқылы Хант циклиндердің циклдық синтез және ыдырау арқылы жасуша циклының фазаларын реттеудегі рөлін анықтады. Сэр Пол М. Нерс (туған ж. 1949): 1970-ші жылдардың ортасында Нерс зерттеулері арқылы бөлінетін дрожжадағы cdc2 генін анықтады, ол жасуша циклының G1 фазасынан S фазасына және G2 фазасынан M фазасына өтуі үшін маңызды. 1987 жылы ол адамда CDK1 генін анықтап, түрлер арасындағы жасуша циклын бақылау механизмдерінің сақталуын көрсетті.
Cyclin dependent kinases (CDKs) are a predominant group of serine/threonine protein kinases involved in the regulation of the cell cycle and its progression, ensuring the integrity and functionality of cellular machinery. These regulatory enzymes play a crucial role in the regulation of eukaryotic cell cycle and transcription, as well as DNA repair, metabolism, and epigenetic regulation, in response to several extracellular and intracellular signals. They are present in all known eukaryotes, and their regulatory function in the cell cycle has been evolutionarily conserved. The catalytic activities of CDKs are regulated by interactions with CDK inhibitors (CKIs) and regulatory subunits known as cyclins. Cyclins have no enzymatic activity themselves, but they become active once they bind to CDKs. Without cyclin, CDK is less active than in the cyclin CDK heterodimer complex. CDKs phosphorylate proteins on serine (S) or threonine (T) residues. The specificity of CDKs for their substrates is defined by the S/T P X K/R sequence, where S/T is the phosphorylation site, P is proline, X is any amino acid, and the sequence ends with lysine (K) or arginine (R). This motif ensures CDKs accurately target and modify proteins, crucial for regulating cell cycle and other functions. Deregulation of the CDK activity is linked to various pathologies, including cancer, neurodegenerative diseases, and stroke. The evolutionary journey of CDKs has led to a diverse family with specific members dedicated to cell cycle phases or transcriptional control. For instance, budding yeast expresses six distinct CDKs, with some binding multiple cyclins for cell cycle control and others binding with a single cyclin for transcription regulation. In humans, the expansion to 20 CDKs and 29 cyclins illustrates their complex regulatory roles. Key CDKs such as CDK1 are indispensable for cell cycle control, while others like CDK2 and CDK3 are not. Moreover, transcriptional CDKs, such as CDK7 in humans, play crucial roles in initiating transcription by phosphorylating RNA polymerase II (RNAPII), indicating the intricate link between cell cycle regulation and transcriptional management. This evolutionary expansion from simple regulators to multifunctional enzymes underscores the critical importance of CDKs in the complex regulatory networks of eukaryotic cells. Leland H. Hartwell (b. 1929 ): Through studies of yeast in 1971, Heartwell identified crucial genes for cell division, outlining the cell cycle's stages and essential checkpoints to prevent cancerous cell division. Tim Hunt (b. 1943): Through studies of sea urchins in the 1980s, Hunt discovered the role of cyclins in the regulation of cell cycle phases through their cyclical synthesis and degradation. Sir Paul M. Nurse (b. 1949): In the mid 1970s, Nurse's studies uncovered the cdc2 gene in fission yeast, which is crucial for the progression of the cell cycle from G1 to S phase and from G2 to M phase. In 1987, he identified the corresponding gene in humans, CDK1, highlighting the conservation of cell cycle control mechanisms across species.
Клеткалық циклдегі CDK және циклиндер
CDK – 800-ге жуық адам протеинкиназаларының бірі. CDK-лардың молекулалық салмағы төмен, және олар өздері белсенді емес екені белгілі. Олардың циклиннің реттеуші кішібірлігіне тәуелділігімен сипатталатынымен ерекшеленеді. CDK-ларды белсендіру үшін фосфорилдеу реакцияларын қамтитын трансляциядан кейінгі модификациялар қажет. Бұл фосфорилдеу әдетте белгілі бір треонин қалдығында жүреді, бұл CDK-да конформациялық өзгеріске алып келіп, оның киназалық белсенділігін арттырады. Активация нәтижесінде циклин-CDK кешені құрылады, ол жасушалық циклдағы қадамдарды бастау үшін қажетті нақты реттеуші ақуыздарды фосфорилдейді. Циклинмен екі альфа-спираль АТФ байланысуына мүмкіндік беру үшін орналасады. Олардың бірі – бастапқы тізбектегі Т-ілмекке дейін орналасқан L12 спиралі, бета-қапталға айналып, Т-ілмекті қайта ұйымдастыруға көмектеседі, соның салдарынан ол белсенді орынды бұғаттамайды. Екінші альфа-спираль, PSTAIRE спиралі деп аталады, қайта ұйымдастырылып, белсенді орындағы маңызды аминқышқылдарының орналасуын өзгертуге көмектеседі. Циклиндер субстратқа тікелей байланыса алады немесе CDK-ны субстраттың табылған субклеткалық аймағына орналастырады. RXL байланысу орны CDK-лардың субстратты сүйемелдеу арқылы нақты субстраттарға қатысты белсенділігін қалай таңдаулы түрде арттыратынын анықтауда маңызды рөл атқарды. S циклиндердің субстратқа қатысты ерекшелігі гидрофобтық бөлік арқылы беріледі, ол гидрофобтық RXL (немесе Cy) мотивін қамтитын субстрат ақуыздарына жақындыққа ие. Бұл фосфорилдеуді жүзеге асыратын CDK-активациялық киназаның (CAK) идентификациясы әртүрлі модельді организмдерде әртүрлі болады. Бұл фосфорилдеудің уақыты да өзгереді; сүтқоректілер жасушаларында активтеуші фосфорилдеу циклинмен байланысқаннан кейін, ал ашытқы жасушаларында циклинмен байланысқанға дейін жүреді. CAK белсенділігі белгілі жасушалық циклдық жолдармен реттелмейді, және CDK белсенділігінің шектеулі кезеңі – циклинмен байланыс болып табылады.
CDK (CKS) кіші бірліктері
CDK-лер жасушалық циклді бақылау және реттеу үшін қажет. Олар кішкентай реттеуші субъектілермен (CKS) байланысты. Сүтқоректілер жасушаларында екі CKS белгілі: CKS1 және CKS2. Бұл ақуыздар CDK-лердің қалыпты жұмыс істеуі үшін қажет, бірақ олардың нақты қызметтері әлі толыққанды анықталған жоқ. CKS1 және CDK-лердің карбоксильдік терминалдық бөлігі арасында өзара әрекеттесу болады, онда олар бірігіп байланысады. Бұл байланыс циклин-CDK кешенінің өз субстраттарына, әсіресе көптеген фосфорильдеу орындары бар субстраттарға деген туыстығын арттырады, соның нәтижесінде жасуша көбеюіне көмектеседі.
Вирустық циклиндер
Вирустар циклиндермен гомологиясы бар ақуыздарды кодтай алады. Көп зерттелген мысалдың бірі – Капоси саркомасы герпес вирусынан (Капоси саркомасын қараңыз) алынған К циклин (немесе v циклин), ол CDK6-ны белсендіреді. vCyclin CDK6 кешені клеткада G1 фазасынан S фазасына өтуді жеделдетеді, pRb-ді фосфорилдеу арқылы E2F-ті босатады. Бұл Cyclin E–CDK2 ферментінің активтілігіне бұрынғы тежеуді алып тастайды. vCyclin трансформацияны және ісік пайда болуын ықпалдастырады, негізінен p27 pSer10 фосфорилирлеуіне және цитоплазмалық секвестрацияға тигізетін әсері арқылы.
CDK5 белсенділері
Нейрондардың постнатальді даму кезінде CDK5 белсенділігін арттыратын екі ақуыз түрі – p35 және p39. p35 және p39 нейрондық даму мен желі құруда CDK5 белсенділігін реттеудің ерекше механизмінде маңызды рөл атқарады. Осы кофакторлармен (p35 және p39) CDK-ны белсендіру үшін белсендіру циклының фосфорилирленуі қажет емес, бұл көптеген басқа кинезалардың дәстүрлі белсендіру жолынан өзгеше. Бұл дұрыс нейрондық даму, дендриттік омыртқалар мен синапстардың қалыптасуы үшін, сондай-ақ эпилепсиялық оқиғаларға жауап ретінде CDK5 белсенділігін белсендірудің маңыздылығын көрсетеді.
RINGO/Speedy
RINGO/Speedy тобындағы ақуыздар циклиндер отбасымен аминқышқылдық тізбекте гомологиясы жоқ ақуыздардың арасында ерекше көзге түседі. Олар CDK-ларды белсендіруде маңызды рөл атқарады. Алғаш рет Xenopus-та анықталған бұл ақуыздар циклиндерге ұқсамайтындықтарына қарамастан, негізінен CDK1 және CDK2-ге байланысып, оларды белсендіреді. Ерекше қызықтысы, RINGO/Speedy белсендірген CDK-лар циклиндер белсендірген CDK-лар фосфорилдейтін жерлерден өзгеше жерлерді фосфорилдей алады, бұл осы циклиндерге жатпайтын CDK активаторларының ерекше әрекет ету механизмін көрсетеді.
Қиындықтар мен болашақ мүмкіндіктер
CDK препараттарын жасаудың қиындықтарында CDK-лардың көптегені жасуша циклына қатыспай, транскрипция, нейрофизиология және глюкоза гомеостазы сияқты басқа да процестерде қатысады. Дегенмен, тағы да зерттеулер қажет, себебі CDK-мен қатысты жолдың бұзылуы қауқапты салдарларға алып келуі мүмкін; CDK тежегіштері үміт беретін болғанымен, тек қана мақсатты жасушаларға әсер ететіндей етіп, жанама әсерлерді қалай шектеуге болатынын анықтау қажет. Қазіргі таңда мұндай аурулар глюкокортикоидтармен емделеді. Глюкокортикоидтармен салыстыру CDK тежегіштерінің потенциалды пайдасын көрсетуге мүмкіндік береді, егер олардың жанама әсерлерін нақтырақ бағыттап немесе азайтуға болатын болса.