Структура и функции комплексов циклинов с киназами, зависимыми от циклина (CDKC)
Cyclin-dependent kinase complex
Комплексы CDK-циклин (CDKC): структура, активация и регуляция. Важные белковые комплексы в клеточном цикле, контролируемые фосфорилированием и ингибиторами.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Комплекс циклинозависимой киназы (CDKC, циклин CDK) — это белковый комплекс, формирующийся в результате ассоциации неактивной каталитической субъединицы протеинкиназы, циклинозависимой киназы (CDK), с регуляторной субъединицей, циклином. После связывания циклинозависимых киназ с циклином, образовавшийся комплекс переходит в активированное состояние. Специфичность активированного комплекса к субстрату в основном определяется циклином, входящим в его состав. Активность CDKC контролируется фосфорилированием белков-мишеней, а также связыванием ингибиторных белков.
A cyclin dependent kinase complex (CDKC, cyclin CDK) is a protein complex formed by the association of an inactive catalytic subunit of a protein kinase, cyclin dependent kinase (CDK), with a regulatory subunit, cyclin. Once cyclin dependent kinases bind to cyclin, the formed complex is in an activated state. Substrate specificity of the activated complex is mainly established by the associated cyclin within the complex. Activity of CDKCs is controlled by phosphorylation of target proteins, as well as binding of inhibitory proteins.
Структура и регулирование
Структура CDK в комплексе с циклиновыми субъединицами (CDKC) долгое время была целью структурных и клеточных биологов, начиная с 1990-х годов, когда структура несвязанного циклина A была определена Брауном и соавторами, а в том же году Джеффри и другие определили структуру комплекса циклина A CDK2 человека с разрешением 2,3 Ангстрема. С тех пор многие структуры CDK были определены с более высоким разрешением, включая структуры CDK2 и CDK2, связанные с различными субстратами, как показано на рисунке 1. В общей сложности в базе данных белковых структур (Protein Data Bank) существует около 25 структур циклиновых комплексов CDK с высоким разрешением. Основываясь на функции, можно выделить две основные группы структур комплекса циклиновых CDK: открытая и закрытая формы. Различие между этими формами заключается во взаимодействии с циклиновыми партнерами: в комплексах закрытой формы CDK связывается с циклином как по C-, так и по N-концам петли активации CDK, в то время как партнеры в открытой форме связываются только по N-концу. Открытые формы структур чаще всего соответствуют комплексам, участвующим в регуляции транскрипции (CDK 8, 9, 12 и 13), а циклиновые комплексы CDK закрытой формы чаще всего участвуют в прогрессии и регуляции клеточного цикла (CDK 1, 2, 6). Однако эти различные роли не сильно отличаются по последовательной гомологии между компонентами CDK. В частности, среди известных структур выделяются четыре основных консервативных региона: N-концевая петля, богатая глицином, шарнирный участок, αC-спираль и сайт регуляции T-петли.
The structure of CDKs in complex with a cyclin subunits (CDKC) has long been a goal of structural and cellular biologists starting in the 1990s when the structure of unbound cyclin A was solved by Brown et al. and in the same year Jeffery et al. solved the structure of human cyclin A CDK2 complex to 2.3 Angstrom resolution. Since this time, many CDK structures have been determined to higher resolution, including the structures of CDK2 and CDK2 bound to a variety of substrates, as seen in Figure 1. High resolution structures exist for approximately 25 CDK cyclin complexes in total within the Protein Data Bank. Based on function, there are two general populations of CDK cyclin complex structures, open and closed form. The difference between the forms lies within the binding of cyclin partners where closed form complexes have CDK cyclin binding at both the C and N termini of the activation loop of the CDK, whereas the open form partners bind only at the N terminus. Open form structures correspond most often to those complexes involved in transcriptional regulation (CDK 8, 9, 12, and 13), while closed form CDK cyclin complex are most often involved in cell cycle progression and regulation (CDK 1, 2, 6). These distinct roles, however, do not significantly differ with the sequence homology between the CDK components. In particular, among these known structures there appear to be four major conserved regions: a N terminal Glycine rich loop, a Hinge Region, an αC helix, and a T loop regulation site.
Регион хинге
Сохраненная шарнирная область CDK в эукариотических клетках выполняет функцию важнейшего моста между петлей, богатой глицином, и петлей активации. Для CDK характерны N-концевые доли, состоящие преимущественно из скрученных бета-листов, соединенных через эту шарнирную область с C-концевыми долями, в которых преобладают альфа-спирали. При обсуждении T-петли и петли, богатой глицином, важно отметить, что эти области, которые должны иметь возможность пространственно взаимодействовать для выполнения своих биохимических функций, расположены на противоположных долях самой CDK. Таким образом, эта шарнирная область, длина которой может незначительно варьироваться в зависимости от типа CDK и циклинового комплекса CDK, соединяет важнейшие регуляторные области CDK, соединяя эти доли, и играет ключевую роль в формировании структуры циклиновых комплексов CDK, обеспечивая правильную ориентацию АТФ для облегчения катализа реакций фосфорилирования собранным комплексом.
The conserved hinge region of CDK within eukaryotic cells acts as an essential bridge between the Gly rich loop and the activation loop. CDK are characterized by a N terminal lobe that is primarily twisted beta sheet connected via this hinge region to an alpha helix dominated C terminal lobe. In discussion of the T loop and the Gly rich loop, it is important to note that these regions, which must be able to spatially interact in order to carry out their biochemical functions, lie on opposite lobes of the CDK itself. Thus, this hinge region, which can vary in length slightly between CDK type and CDK cyclin complex, connects essential regulatory regions of the CDK by connecting these lobes, and plays key roles in the resulting structure of CDK cyclin complexes by properly orienting ATP for easy catalysis of phosphorylation reactions by the assembled complex.
Цикл клеток дрожжей
Хотя эти комплексы выполняют разнообразные функции, CDKC наиболее известны своей ролью в клеточном цикле. Первоначально исследования проводились на Schizosaccharomyces pombe и Saccharomyces cerevisiae (дрожжах). S. pombe и S. cerevisiae наиболее известны своей ассоциацией с единственным Cdk, Cdc2 и Cdc28 соответственно, который образует комплексы с несколькими различными циклинами. В зависимости от циклина, на различные этапы клеточного цикла оказывается влияние. Например, в S. pombe, Cdc2 ассоциируется с Cdk13, формируя комплекс Cdk13-Cdc2. В S. cerevisiae, ассоциация Cdc28 с циклинами Cln1, Cln2 или Cln3 приводит к переходу из фазы G1 в фазу S. По мере вхождения в фазу S, Cln1 и Cln2 диссоциируют от Cdc28 и формируются комплексы между Cdc28 и Clb5 или Clb6. В фазе G2 комплексы, образованные в результате ассоциации Cdc28 с Clb1, Clb2, Clb3 или Clb4, обеспечивают переход из фазы G2 в фазу M (митотическую). Эти комплексы присутствуют также и на ранней фазе M.
Although these complexes have a variety functions, CDKCs are most known for their role in the cell cycle. Initially, studies were conducted in Schizosaccharomyces pombe and Saccharomyces cerevisiae (yeast). S. pombe and S. cerevisiae are most known for their association with a single Cdk, Cdc2 and Cdc28 respectively, which complexes with several different cyclins. Depending on the cyclin, various portions of the cell cycle are affected. For example, in S. pombe, Cdc2 associates with Cdk13 to form the Cdk13 Cdc2 complex. In S. cerevisiae, the association of Cdc28 with cyclins, Cln1, Cln2, or Cln3, results in the transition from G1 phase to S phase. Once in the S phase, Cln1 and Cln2 dissociates with Cdc28 and complexes between Cdc28 and Clb5 or Clb6 are formed. In G2 phase, complexes formed from the association between Cdc28 and Clb1, Clb2, Clb3, or Clb4, results in the progression from G2 phase to M (Mitotic) phase. These complexes are present in early M phase as well.
Цикл клеток млекопитающих
Используя информацию, полученную в ходе исследований клеточного цикла дрожжей, был достигнут значительный прогресс в понимании клеточного цикла млекопитающих. Было установлено, что клеточные циклы схожи, и CDK-комплексы, прямо или косвенно, влияют на прогрессирование клеточного цикла. Как упоминалось ранее, у дрожжей только одна циклинзависимая киназа (CDK) связана с несколькими различными циклинами. Однако в клетках млекопитающих несколько различных CDK связываются с различными циклинами, образуя CDK-комплексы. Например, Cdk1 (также известный как человеческий Cdc2), первая идентифицированная человеческая CDK, ассоциируется с циклинами A или B. Комплексы CyclinA/B Cdk1 управляют переходом между фазой G2 и фазой M, а также ранней фазой M. Другая CDK млекопитающих, Cdk2, может образовывать комплексы с циклинами D1, D2, D3, E или A. Cdk4 и Cdk6 взаимодействуют с циклинами D1, D2 и D3. Исследования показали, что нет различий между CDK-комплексами циклином D1 Cdk4/6, поэтому любые уникальные свойства могут быть связаны со специфичностью субстрата или активацией. В таблице 2 представлен обзор CDK-комплексов клеток млекопитающих, участвующих в клеточном цикле. Таблица 2. CDK-комплексы, связанные с фазами клеточного цикла в клетках млекопитающих. После фосфорилирования транскрипционные факторы высвобождаются для необратимой инактивации pRB, после чего наступает прогрессия в S-фазу клеточного цикла. CDK-комплекс циклином E Cdk2, образованный в фазе G1, затем способствует инициированию репликации ДНК в S-фазе и влияет на транскрипцию. Кроме того, комплексы циклином H Cdk7 могут играть роль в мейозе в мужских половых клетках и также участвуют в транскрипционной активности.
Using the information discovered through yeast cell cycle studies, significant progress has been made regarding the mammalian cell cycle. It has been determined that the cell cycles are similar and CDKCs, either directly or indirectly, affect the progression of the cell cycle. As previously mentioned, in yeast, only one cyclin dependent kinase (CDK) is associated with several different cyclins. However, in mammalian cells, several different CDKs bind to various cyclins to form CDKCs. For instance, Cdk1 (also known as human Cdc2), the first human CDK to be identified, associates with cyclins A or B. CyclinA/B Cdk1 complexes drive the transition between G2 phase and M phase, as well as early M phase. Another mammalian CDK, Cdk2, can form complexes with cyclins D1, D2, D3, E, or A. Cdk4 and Cdk6 interact with cyclins D1, D2, and D3. Studies have indicated that there is no difference between CDKCs cyclin D1 Cdk4/6, therefore, any unique properties can possibly be linked to substrate specificity or activation. See Table 2 for a summary of mammalian cell CDKCs involved in the cell cycle. Table 2. CDKCs Associated with Cell Cycle Phases in Mammalian Cells Once phosphorylation occurs, transcription factors are then released to irreversibly inactivate pRB and progression into the S phase of the cell cycle ensues. The cyclin E Cdk2 CDKC formed in the G1 phase then aids in the initiation of DNA replication during S phase. and influence transcription. Additionally, cyclin H Cdk7 complexes may play a role in meiosis in male germ cells, and has been shown to be involved in transcriptional activities as well.