サイクリン依存性キナーゼ
サイクリン依存性キナーゼ （ CDK ）は、細胞周期の調節における役割が最初に発見されたプロテインキナーゼのファミリーです。また、転写、mRNA処理、および神経細胞の分化の調節にも関与しています。それらはすべての既知の真核生物に存在し、細胞周期におけるそれらの調節機能は進化的に保存されています。実際、酵母細胞は、CDK遺伝子が相同なヒト遺伝子で置き換えられたときに正常に増殖できます。 CDKは、分子量が34〜40 kDaの比較的小さなタンパク質で、キナーゼドメインをほとんど含まないタンパク質です。定義により、CDKはサイクリンと呼ばれる調節タンパク質に結合します。サイクリンがないと、CDKにはキナーゼ活性がほとんどありません。サイクリン-CDK複合体のみが活性キナーゼです。 CDKはセリンおよびスレオニンの基質をリン酸化するため、セリン-トレオニンキナーゼです。 CDK基質のアミノ酸配列のリン酸化部位のコンセンサス配列はPXであり、S / T *はリン酸化セリンまたはトレオニン、Pはプロリン、Xは任意のアミノ酸、Kはリジン、Rはアルギニンです。
タイプ
サイクリンパートナー、およびヒトにおけるそれらの機能およびマウスCDKにおける欠失の結果！マウスのサイクリンパートナー機能欠失表現型Cdk1サイクリンBM期なしCdk2サイクリンE G1 / S遷移サイズの縮小、神経前駆細胞増殖の付与。実行可能ですが、男性と女性の両方が不妊です。 Cdk2サイクリンASフェーズ、G2フェーズCdk3サイクリンC G1フェーズ？欠陥なし。実行可能で肥沃です。 Cdk4サイクリンD G1期サイズの縮小、インスリン欠乏糖尿病。実行可能ですが、男性と女性の両方が不妊です。細胞周期におけるCDKとサイクリン
既知のサイクリン-CDK複合体のほとんどは、細胞周期の進行を調節します。動物細胞には少なくとも9つのCDKが含まれており、そのうち4つ、CDK1、2、3、および4は細胞周期の調節に直接関与しています。哺乳類細胞では、CDK1とそのパートナーであるサイクリンA2およびB1のみが細胞周期を促進します。もう1つのCDK7は、CDK活性化キナーゼとして間接的に関与しています。サイクリン-CDK複合体は、特定の細胞周期段階に適した基質をリン酸化します。初期の細胞周期のサイクリン-CDK複合体は、後期のサイクリン-CDK複合体の活性化に役立ちます。
| 段階 | サイクリン | CDK |
|---|---|---|
| G0 | C | Cdk3 |
| G1 | D、E | Cdk4、Cdk2、Cdk6 |
| S | A、E | Cdk2 |
| G2 | A | Cdk2、Cdk1 |
| M | B | Cdk1 |
調節タンパク質、サイクリンまたはその他のCDKのリスト：
- CDK1;サイクリンA、サイクリンB
- CDK2;サイクリンA、サイクリンE
- CDK3 ;サイクリンC
- CDK4;サイクリンD1、サイクリンD2、サイクリンD3
- CDK5; CDK5R1、CDK5R2。 CDKL5も参照してください。
- CDK6;サイクリンD1、サイクリンD2、サイクリンD3
- CDK7;サイクリンH
- CDK8 ;サイクリンC
- CDK9;サイクリンT1、サイクリンT2a、サイクリンT2b、サイクリンK
- CDK10
- CDK11（ CDC2L2 ）;サイクリンL
- CDK12;サイクリンL
- CDK13（ CDC2L5 ）;サイクリンL
活動の規制
CDKレベルは細胞周期全体を通じて比較的一定のままであり、ほとんどの調節は翻訳後です。 CDKの構造と機能に関するほとんどの知識は、 S。pombe （Cdc2）、 S。cerevisiae （CDC28）、および脊椎動物（CDC2およびCDK2）のCDKに基づいています。 CDK調節の4つの主要なメカニズムは、サイクリン結合、CAKリン酸化、調節阻害リン酸化、およびCDK阻害サブユニット（CKI）の結合です。
サイクリン結合
すべてのキナーゼの活性部位、またはATP結合部位は、小さなアミノ末端の葉と大きなカルボキシ末端の葉の間の裂け目です。ヒトCdk2の構造から、CDKには、サイクリンの結合によって調節できる修飾されたATP結合部位があることが明らかになりました。 Tループ上のThr 161でのCDK活性化キナーゼ（CAK）によるリン酸化は、複合体の活性を高めます。サイクリンがなければ、活性化ループまたはTループと呼ばれる柔軟なループが裂け目をブロックし、いくつかの重要なアミノ酸残基の位置がATP結合に最適ではありません。サイクリンでは、2つのアルファヘリックスが位置を変えてATP結合を可能にします。そのうちの1つである、プライマリシーケンスのTループの直前にあるL12ヘリックスはベータストランドになり、Tループの再配置に役立つため、アクティブサイトをブロックしなくなります。 PSTAIREヘリックスと呼ばれるもう1つのアルファヘリックスは、再配置され、活性部位の重要なアミノ酸残基の位置を変更するのに役立ちます。
サイクリンがCDKと結合するかなりの特異性があります。さらに、サイクリン結合は、特定の基質に対するサイクリン-CDK複合体の特異性を決定します。サイクリンは基質に直接結合するか、基質が存在する細胞内領域にCDKを局在化します。 Sサイクリンの基質特異性は、疎水性RXL（またはCy）モチーフを含む基質タンパク質に親和性がある疎水性バッチ（MRAIL配列を中心とする）によって付与されます。サイクリンB1およびB2は、CDK結合領域外の局在化配列を介して、それぞれCdk1を核およびゴルジ体に局在化させることができます。
リン酸化
完全なキナーゼ活性には、活性部位に隣接するスレオニンのリン酸化の活性化が必要です。このリン酸化を実行するCDK活性化キナーゼ（CAK）のアイデンティティは、モデル生物によって異なります。このリン酸化のタイミングも異なります。哺乳類細胞では、サイクリン結合後に活性化リン酸化が起こります。酵母細胞では、サイクリン結合の前に発生します。 CAK活性は既知の細胞周期経路によって調節されておらず、サイクリン結合はCDK活性化の制限段階です。
リン酸化の活性化とは異なり、CDK阻害性リン酸化は細胞周期の調節に不可欠です。さまざまなキナーゼとホスファターゼがリン酸化状態を調節します。チロシンリン酸を配置するキナーゼの1つは、すべての真核生物で保存されているキナーゼであるWee1です。分裂酵母には、チロシンをリン酸化できる2番目のキナーゼMik1も含まれています。脊椎動物には、Wee1に関連するMyt1と呼ばれる別の2番目のキナーゼが含まれていますが、スレオニンとチロシンの両方をリン酸化できます。 Cdc25ファミリーのホスファターゼは、トレオニンとチロシンの両方を脱リン酸化します。
CDK阻害剤
サイクリン依存性キナーゼ阻害剤（CKI）は、サイクリンCDK複合体と相互作用して、通常G1中または環境または損傷したDNAからの信号に応答してキナーゼ活性をブロックするタンパク質です。動物細胞には、2つの主要なCKIファミリーがあります。INK4ファミリーとCIP / KIPファミリーです。 INK4ファミリータンパク質は厳密に阻害性であり、CDKモノマーに結合します。 CDK6-INK4複合体の結晶構造は、INK4結合がCDKをねじり、サイクリン結合とキナーゼ活性を歪めることを示しています。 CIP / KIPファミリーのタンパク質は、複合体のサイクリンとCDKの両方に結合し、阻害性または活性化性があります。 CIP / KIPファミリータンパク質は、複合体形成を促進することにより、サイクリンDおよびCDK4またはCDK6複合体を活性化します。
酵母およびショウジョウバエでは、CKIはS-およびM-CDKの強力な阻害剤ですが、G1 / S-CDKを阻害しません。 G1中、高レベルのCKIにより、セルサイクルイベントが順不同で発生することは防止されますが、G1 / S-CDKによって開始される開始チェックポイントを介した移行は防止されません。細胞周期が開始されると、初期のG1 / S-CDKによるリン酸化によりCKIが破壊され、後の細胞周期の移行の阻害が緩和されます。哺乳類細胞では、CKI規制は異なって機能します。哺乳類タンパク質p27（ショウジョウバエのDacapo）は、G1 / S-およびS-CDKを阻害しますが、S-およびM-CDKは阻害しません。
Suk1またはCks
細胞周期の調節に直接関与するCDKは、Suk1またはCksと呼ばれる9〜13キロダルトンの小さなタンパク質と関連しています。これらのタンパク質はCDK機能に必要ですが、それらの正確な役割は不明です。 Cks1はCDKのカルボキシローブに結合し、リン酸化された残基を認識します。基質に対する親和性を高めることにより、複数のリン酸化部位を有する基質とサイクリン-CDK複合体を助ける可能性があります。
非サイクリン活性化剤
ウイルスサイクリンウイルスは、サイクリンと配列相同性を持つタンパク質をエンコードできます。よく研究されている例の1つは、CDK6を活性化するカポジ肉腫ヘルペスウイルス（カポジ肉腫を参照）のKサイクリン（またはvサイクリン）です。ウイルスサイクリンCDK複合体は、異なる基質特異性と制御感度を持っています。
CDK5アクティベータータンパク質p35およびp39はCDK5を活性化します。それらはサイクリン配列相同性を欠いているが、結晶構造は、サイクリンと同様の方法でp35が折り畳まれていることを示している。ただし、CDK5の活性化には、活性化ループのリン酸化は必要ありません。
リンゴ/スピーディサイクリンファミリーと相同性のないタンパク質は、CDKの直接的な活性化因子となります。そのようなアクティベーターの1つのファミリーは、当初Xenopusで発見されたRINGO / Speedyファミリーです。これまでに発見された5つのメンバーはすべてCdk1とCdk2を直接活性化しますが、RINGO / Speedy-CDK2複合体はサイクリンA-CDK2複合体とは異なる基質を認識します。
歴史
Leland H. Hartwell、J。Hoonhorst、R。Timothy Hunt、およびPaul M. Nurseは、細胞の制御の中心であるサイクリンおよびサイクリン依存性キナーゼメカニズムの完全な説明で、2001年ノーベル生理学または医学賞を受賞しました。サイクル。
医学的意義
CDKは、抗がん剤の潜在的な標的と考えられています。 CDKの作用を妨げることにより、がん細胞の細胞周期の調節を選択的に中断することが可能である場合、細胞は死にます。現在、セリシクリブなどのいくつかのCDK阻害剤は臨床試験を受けています。本来、潜在的な抗がん剤として開発されましたが、セリシクリブは、炎症を媒介する好中球顆粒球のアポトーシスを誘導することも証明されています。これは、関節炎や嚢胞性線維症などの慢性炎症性疾患の治療のための新しい薬が開発できることを意味します。
フラボピリドール（alvocidib）は、1992年に抗癌剤のスクリーニングで同定された後、臨床試験でテストされた最初のCDK阻害剤です。CDKのATP部位と競合します。パルボシクリブとアベマシクリブは、内分泌療法と組み合わせて転移性乳癌を発現するホルモン受容体（エストロゲン受容体/プロゲストゲン受容体）の管理に承認されています。
ただし、CDKを介した経路の混乱は潜在的に深刻な結果をもたらすため、より多くの研究が必要です。 CDK阻害剤は有望であるように見えますが、副作用を制限してターゲット細胞のみに影響を与える方法を決定する必要があります。このような病気は現在、しばしば深刻な副作用を引き起こす糖質コルチコイドで治療されているため、わずかな成功でも改善になります。
CDK薬の開発の合併症には、多くのCDKが細胞周期に関与していないという事実が含まれますが、転写、神経生理学、グルコース恒常性などの他のプロセスが含まれます。
薬物CDK阻害フラボピリドール（アルボシディブ）1、2、4、6、7、9オロモウシン1、2、5ロスコビチン1、2、5プルバラノール1、2、5ポールロン1、2、5ブトリロラクトン1、2、5パルボシクリブ4 、6チオ/オキソフラボピリドール1オキシインドール2アミノチアゾール4ベンゾカルバゾール4ピリミジン4セリシクリブ？
