Циклин-зависимые киназы: регуляция клеточного цикла и за его пределами.

Введение

Класс ферментов

Циклинзависимые киназы (CDK) представляют собой преобладающую группу серин-треонин-белковых киназ, участвующих в регуляции клеточного цикла и его прогрессии, обеспечивая целостность и функциональность клеточных механизмов. Эти регуляторные ферменты играют ключевую роль в регуляции клеточного цикла и транскрипции эукариотических клеток, а также в репарации ДНК, метаболизме и эпигенетическом регулировании в ответ на различные внеклеточные и внутриклеточные сигналы. Они присутствуют во всех известных эукариотах, и их регуляторная функция в клеточном цикле эволюционно сохранена. Каталитическая активность CDK регулируется взаимодействием с ингибиторами CDK (CKI) и регуляторными субъединицами, известными как циклины. Сами циклины не обладают ферментативной активностью, но становятся активными при связывании с CDK. Без циклинов CDK менее активны, чем в циклиновом CDK-гетеродимерном комплексе. CDK фосфорилируют белки на сериновых (S) или треониновых (T) остатках. Специфичность CDK к их субстратам определяется последовательностью S/T P X K/R, где S/T – сайт фосфорилирования, P – пролин, X – любая аминокислота, а последовательность заканчивается лизином (K) или аргинином (R). Этот мотив обеспечивает точное нацеливание и модификацию белков CDK, что критически важно для регуляции клеточного цикла и других функций. Нарушение регуляции активности CDK связано с различными патологиями, включая рак, нейродегенеративные заболевания и инсульт. Эволюция CDK привела к образованию разнообразного семейства со специфическими членами, предназначенными для фаз клеточного цикла или контроля транскрипции. Например, дрожжи рода *Saccharomyces* экспрессируют шесть различных CDK, некоторые из которых связываются с несколькими циклинами для контроля клеточного цикла, а другие – с одним циклином для регуляции транскрипции. У человека расширение до 20 CDK и 29 циклинов иллюстрирует их сложные регуляторные роли. Ключевые CDK, такие как CDK1, необходимы для контроля клеточного цикла, в то время как другие, такие как CDK2 и CDK3, не являются абсолютно необходимыми. Кроме того, транскрипционные CDK, такие как CDK7 у человека, играют важную роль в инициировании транскрипции путем фосфорилирования РНК-полимеразы II (RNAPII), что указывает на тесную связь между регуляцией клеточного цикла и управлением транскрипцией. Это эволюционное расширение от простых регуляторов до многофункциональных ферментов подчеркивает критическую важность CDK в сложных регуляторных сетях эукариотических клеток. Лиланд Х. Хартуэлл (род. 1929 г.): В 1971 году, изучая дрожжи, Хартуэлл идентифицировал ключевые гены, необходимые для деления клеток, определив стадии клеточного цикла и важные контрольные точки для предотвращения неконтролируемого деления клеток. Тим Хант (род. 1943 г.): В 1980-х годах, изучая морских ежей, Хант обнаружил роль циклинов в регуляции фаз клеточного цикла посредством их циклического синтеза и деградации. Сэр Пол М. Нерс (род. 1949 г.): В середине 1970-х годов исследования Нерса выявили ген *cdc2* у дрожжей *Schizosaccharomyces pombe*, который играет решающую роль в прогрессии клеточного цикла от фазы G1 к фазе S и от фазы G2 к фазе M. В 1987 году он идентифицировал соответствующий ген у человека, CDK1, что подчеркивает консервацию механизмов контроля клеточного цикла у разных видов.

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.

CDK и циклины в клеточном цикле

CDK является одной из примерно 800 человеческих протеинкиназ. CDK имеют небольшую молекулярную массу и сами по себе неактивны. Они характеризуются зависимостью от регуляторной субъединицы – циклинов. Активация CDK также требует посттрансляционных модификаций, включающих реакции фосфорилирования. Это фосфорилирование обычно происходит на специфическом остатке треонина, что приводит к конформационному изменению CDK, усиливающему его киназную активность. Активация формирует циклиновый CDK-комплекс, который фосфорилирует специфические регуляторные белки, необходимые для запуска этапов клеточного цикла. В присутствии циклинов две альфа-спирали меняют положение, обеспечивая связывание АТФ. Одна из них, спираль L12, расположенная непосредственно перед петлей T в первичной последовательности, превращается в бета-лист и помогает реорганизовать петлю T, чтобы она больше не блокировала активный центр. Другая альфа-спираль, известная как спираль PSTAIRE, реорганизуется и способствует изменению положения ключевых аминокислот в активном центре. Циклины могут непосредственно связывать субстрат или локализовать CDK в субклеточном участке, где находится субстрат. Участок связывания RXL сыграл решающую роль в понимании того, как CDK избирательно усиливают активность по отношению к конкретным субстратам, облегчая их докинг. Специфичность S-циклинов к субстрату определяется гидрофобным участком, который обладает сродством к белкам-субстратам, содержащим гидрофобный RXL (или Cy) мотив. Идентичность CDK-активирующей киназы (CAK), осуществляющей это фосфорилирование, варьируется у разных модельных организмов. Время этого фосфорилирования также различается: в клетках млекопитающих активирующее фосфорилирование происходит после связывания с циклином, а в клетках дрожжей – до связывания с циклином. Активность CAK не регулируется известными путями клеточного цикла, и именно связывание с циклином является лимитирующей стадией активации CDK.

Подединицы CDK (CKS)

CDK необходимы для контроля и регуляции клеточного цикла. Они ассоциированы с небольшими регуляторными субъединицами (CKS). В клетках млекопитающих известны два типа CKS: CKS1 и CKS2. Эти белки необходимы для нормального функционирования CDK, хотя их точные функции пока полностью не выяснены. Взаимодействие происходит между CKS1 и карбоксильным концом CDK, где они связываются друг с другом. Это связывание повышает аффинность циклин-CDK комплекса к своим субстратам, особенно к тем, которые имеют несколько сайтов фосфорилирования, тем самым способствуя пролиферации клеток.

Вирусные циклины

Вирусы могут кодировать белки с гомологией последовательности к циклинам. Одним из наиболее изученных примеров является циклин K (или v-циклин) герпесвируса саркомы Капоши (см. Саркома Капоши), который активирует CDK6. Комплекс v-циклина и CDK6 стимулирует ускоренный переход клетки из фазы G1 в S-фазу посредством фосфорилирования pRb и высвобождения E2F. Это приводит к снятию ингибирования ферментативной активности комплекса циклинов E–CDK2. Показано, что v-циклин способствует трансформации и опухолеобразованию, главным образом, за счет влияния на фосфорилирование p27 по Ser10 и цитоплазматическую секвестрацию.

Активаторы CDK5

Два типа белков, p35 и p39, отвечают за повышение активности CDK5 в процессе нейронной дифференцировки в постнатальном развитии. p35 и p39 играют ключевую роль в уникальном механизме регуляции активности CDK5 при развитии нейронов и формировании нейронных сетей. Активация CDK этими кофакторами (p35 и p39) не требует фосфорилирования петли активации, что отличает ее от традиционной активации многих других киназ. Это подчеркивает важность активации CDK5, критически необходимой для нормального развития нейронов, формирования дендритных шипиков и синапсов, а также в ответ на эпилептические приступы.

RINGO/Speedy (англ.) русск. (англ.) русск.

Белки группы RINGO/Speedy представляют собой примечательную группу среди белков, не имеющих гомологии аминокислотных последовательностей с семейством циклинов. Они играют ключевую роль в активации CDK. Изначально обнаруженные у Xenopus, эти белки преимущественно связываются и активируют CDK1 и CDK2, несмотря на отсутствие гомологии с циклинами. Особенно интересно, что CDK, активированные RINGO/Speedy, могут фосфорилировать другие сайты, чем те, на которые нацелены CDK, активированные циклинами, что свидетельствует об уникальном механизме действия этих активаторов CDK, не являющихся циклинами.

Проблемы и будущие возможности

Осложнения разработки препаратов, воздействующих на CDK, заключаются в том, что многие CDK не участвуют в клеточном цикле, а вовлечены в другие процессы, такие как транскрипция, нейрофизиология и гомеостаз глюкозы. Однако необходимы дальнейшие исследования, поскольку нарушение пути, опосредованного CDK, может иметь серьезные последствия; хотя ингибиторы CDK выглядят перспективно, необходимо выяснить, как ограничить побочные эффекты, чтобы воздействие оказывалось только на целевые клетки. В настоящее время эти заболевания лечат глюкокортикоидами. Сравнение с глюкокортикоидами призвано продемонстрировать потенциальные преимущества ингибиторов CDK, при условии, что их побочные эффекты можно будет более точно нацелить или минимизировать.