Введение

Тирозинкиназа – это фермент, который способен переносить фосфатную группу из АТФ к тирозиновым остаткам специфических белков внутри клетки. Она функционирует как переключатель "включено/выключено" во многих клеточных процессах. Тирозинкиназы принадлежат к более широкому классу ферментов, известному как протеинкиназы, которые также присоединяют фосфаты к другим аминокислотам, таким как серин и треонин. Фосфорилирование белков киназами – важный механизм передачи сигналов внутри клетки (сигнальной трансдукции) и регуляции клеточной активности, например, деления клеток. Протеинкиназы могут мутировать и зафиксироваться в "включенном" состоянии, вызывая неконтролируемый рост клетки, что является необходимым этапом в развитии рака. Поэтому ингибиторы киназ, такие как иматиниб и осимертиниб, часто оказываются эффективными средствами лечения рака. У большинства тирозинкиназ есть ассоциированный протеинтирозинфосфатаза, который удаляет фосфатную группу.

Реакция

Белковые киназы — это группа ферментов, которые содержат каталитическое подразделние, переносящее гамма- (терминальный) фосфат из нуклеозидтрифосфатов (часто АТФ) к одному или нескольким аминокислотным остаткам в боковой цепи белкового субстрата, что приводит к конформационным изменениям, влияющим на функцию белка. Эти ферменты делятся на два основных класса, различающихся по специфичности к субстрату: серин/треонин-специфичные и тирозин-специфичные (являющиеся предметом данной статьи).

Функция

Киназы — это большое семейство ферментов, отвечающих за катализ переноса фосфорильной группы от нуклеозидтрифосфатного донора, такого как АТФ, к молекуле-акцептору. Фосфорилирование тирозиновых остатков, в свою очередь, вызывает изменение функции белка, в котором они находятся. Мутации могут приводить к тому, что некоторые тирозинкиназы становятся конститутивно активными, то есть постоянно функционирующими, что может способствовать инициации или прогрессированию рака. Тирозинкиназы участвуют в разнообразных процессах, сигнальных путях и действиях, и отвечают за ключевые события в организме. Рецепторные тирозинкиназы функционируют в трансмембранной передаче сигналов, в то время как тирозинкиназы внутри клетки участвуют в передаче сигнала в ядро. Активность тирозинкиназ в ядре связана с контролем клеточного цикла и свойствами факторов транскрипции. Клеточная пролиферация, как было подробно описано выше, может в некоторой степени зависеть от тирозинкиназ.

Регулирование

Иногда значительные изменения происходят, когда на фермент тирозинкиназу влияют другие факторы. Один из таких факторов – молекула, обратимо связывающаяся с белком, называемым лигандом. Многие рецепторные тирозинкиназы, хотя и не все, не проявляют активность белковой киназы до тех пор, пока не будут заняты или активированы одним из этих лигандов. Кроме того, лиганды участвуют в обратимом связывании, а ингибиторы связываются нековалентно (различные типы ингибирования реализуются в зависимости от того, связываются ли эти ингибиторы с ферментом, комплексом фермент-субстрат или с обоими). Многовалентность, представляющая особый интерес для исследователей в этой области, – это явление, характеризующееся одновременным связыванием нескольких лигандов, расположенных на одной молекуле, с несколькими соответствующими рецепторами на другой. В любом случае, о связывании лиганда с партнером свидетельствует влияние, которое оно оказывает на функциональность многих белков. В регуляции эритроцитов эритропоэтин – это белок, состоящий из 165 аминокислот, который играет роль в активации цитоплазматической белковой киназы JAK. В базе данных белков доступно более 1800 трехмерных структур тирозинкиназ. Примером служит кристаллическая структура тирозинкиназного домена человеческого рецептора инсулина.

Семьи

В человеке насчитывается 90 генов, содержащих в общей сложности 94 домена протеинтирозинкиназ (PTK). Четыре гена содержат как каталитически активный киназный домен, так и псевдокиназный домен (киназный домен, лишенный каталитической активности: JAK1, JAK2, JAK3 и TYK2). С учетом этих четырех генов, 82 гена человека содержат каталитически активный тирозинкиназный домен. Они подразделяются на два класса: рецепторные и нерецепторные тирозинкиназы.

Рецептор

К 2004 году было известно 58 тирозинкиназ рецепторов человека (RTK), сгруппированных в 20 подсемейств. Восемь из этих мембранных белков, содержащих домены тирозинпротеинкиназы, фактически являются псевдокиназами, лишенными каталитической активности (EPHA10, EPHB6, ERBB3, PTK7, ROR1, ROR2, RYK и STYK1). Рецепторные тирозинкиназы играют ключевую роль в разнообразных клеточных процессах, включая рост (за счет передачи сигналов нейротрофинов), дифференцировку, метаболизм, адгезию, подвижность и апоптоз. RTK состоят из внеклеточного домена, способного связывать специфический лиганд, трансмембранного домена и внутриклеточного каталитического домена, способного связывать и фосфорилировать определенные субстраты. Связывание лиганда с внеклеточным доменом вызывает серию структурных изменений в RTK, приводящих к его ферментативной активации. В частности, перемещение некоторых частей киназного домена обеспечивает свободный доступ аденозинтрифосфату (АТФ) и субстрату к активному центру. Это запускает каскад событий посредством фосфорилирования внутриклеточных белков, которые в конечном итоге передают ("трансдуцируют") внеклеточный сигнал в ядро, вызывая изменения в экспрессии генов. Многие RTK вовлечены в онкогенез либо в результате мутации гена, либо транслокации хромосомы, либо просто из-за чрезмерной экспрессии. В каждом случае результатом является гиперактивная киназа, которая обеспечивает аберрантный, лиганд-независимый, нерегулируемый стимул для роста раковых клеток.

Цитоплазматический/нерецепторный

У человека существует 32 цитоплазматических протеинтирозинкиназы. Первой идентифицированной нерецепторной тирозинкиназой был онкогенный белок v-src. Большинство клеток животных содержат один или несколько представителей семейства тирозинкиназ Src. Вирус саркомы курицы, вирус саркомы Рауса, упомянутый выше, был обнаружен как переносчик мутированных версий нормального клеточного гена Src. Мутировавший ген v-src утратил нормальное встроенное ингибирование ферментной активности, характерное для клеточных генов SRC (c-src). Члены семейства SRC были обнаружены в регуляции многих клеточных процессов. Например, рецептор антигена Т-клеток вызывает внутриклеточную сигнализацию посредством активации Lck и Fyn – двух белков, структурно схожих с Src.

Клиническое значение

Тирозинкиназы особенно важны сегодня из-за их роли в лечении рака. Мутация, вызывающая конститутивную активность определенных тирозинкиназ, связана с развитием нескольких видов рака. Иматиниб (торговые названия Gleevec и Glivec) – это препарат, способный связываться с каталитической щелью этих тирозинкиназ, ингибируя их активность. Активность тирозинкиназы также существенно вовлечена в другие процессы, которые часто рассматриваются как неблагоприятные. Например, повышенная активность фермента связана с нарушением функционирования определенных систем, таких как клеточное деление. Также к ним относятся многочисленные заболевания, связанные с локальным воспалением, такие как атеросклероз и псориаз, или с системным воспалением, такие как сепсис и септический шок. Немелкоклеточный рак легких – распространенное заболевание, являющееся причиной смерти большего числа людей, чем суммарное количество случаев рака молочной железы, колоректального рака и рака предстательной железы вместе взятых. Гефитиниб – это ингибитор тирозинкиназы, который воздействует на рецептор эпидермального фактора роста, приводя к благоприятным исходам у пациентов с немелкоклеточным раком легких. Немелкоклеточный рак легких – распространенное заболевание, являющееся причиной смерти большего числа людей, чем рак молочной железы, колоректальный рак и рак предстательной железы вместе взятые. К 2010 году для лечения рака были разработаны также два моноклональных антитела и другой ингибитор тирозинкиназы с малыми молекулами, называемый эрлотинибом. Активность тирозинкиназы имеет решающее значение для трансформации BCR-ABL. Поэтому ингибирование ее активности улучшает симптомы рака. Среди доступных в настоящее время ингибиторов для лечения хронического миелолейкоза – иматиниб, дазатиниб, нилотиниб, бозутиниб и понатиниб.

Опухоли стромального тракта желудочно-кишечного тракта

Известно, что опухоли стромального тракта желудочно-кишечного тракта (ГИСТ) устойчивы к химиотерапии и не отвечают на какое-либо лечение (в 2001 году) в распространенных случаях. Однако, ингибитор тирозинкиназы STI571 (иматиниб) эффективен в лечении пациентов с метастатическими опухолями желудочно-кишечного строма. Опухоли желудочно-кишечного строма состоят из скопления мезенхимальных новообразований, формирующихся из предшественников клеток, составляющих соединительную ткань желудочно-кишечного тракта. Варианты лечения были ограничены. Этот ингибитор является высокоселективным ингибитором тирозинкиназы Bcr Abl. Дазатиниб является ингибитором Src тирозинкиназы, эффективным как сенолитическое средство и как терапия хронического миелолейкоза.