사이클린 의존성 키나아제

Cyclin-dependent kinase
사이클린 의존성 키나아제
식별자
EC 번호2.7.11.22
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X선 결정학에 의해 결정되는 인간 Cdk2의 3차 구조.다른 단백질 키나아제처럼, Cdk2는 주로 베타 시트와 PSTARE 나선으로 구성된 작은 아미노 말단 로브(위)와 주로 알파 헬리크로 구성된 큰 카르복시 말단 로브(아래)의 두 개의 로브로 구성되어 있습니다.ATP 기질은 두 엽 사이의 활성 부위 균열 깊숙한 곳에 위치한 볼 앤 스틱 모델로 나타납니다.인산염은 T-루프(녹색으로 강조 표시됨)에 의해 차단되는 균열이 있는 입구 쪽으로 바깥쪽으로 향합니다(PDB 1hck).
세포 주기의 개략도.외부 링:I =상간, M = 유사분열, 내륜 : M = 유사분열, G1 = 간극상 1, S = 합성, G2 = 간극상 2.

사이클린 의존성 키나아제(CDK)는 세포 주기를 조절하는 역할로 처음 발견된 단백질 키나아제 패밀리이다.그들은 또한 전사, mRNA 처리, 신경 [1]세포의 분화를 조절하는 데 관여한다.그것들은 알려진 모든 진핵 생물에 존재하며, 세포 주기에서의 조절 기능은 진화적으로 보존되어 왔다.사실 효모세포는 CDK 유전자가 상동성 인간 [1][2]유전자로 대체되면 정상적으로 증식할 수 있다.CDK는 분자량이 34~40kDa인 비교적 작은 단백질이며, 키나아제 [1]도메인보다 조금 더 많이 함유되어 있다.정의에 따르면 CDK는 사이클린이라고 불리는 조절 단백질과 결합합니다.사이클린이 없으면 CDK는 키나아제 활성이 거의 없다. 사이클린-CDK 복합체만이 활성 키나아제이지만 일반적으로 인산화 및 p27과 같은 다른 결합 단백질에 의해 활성이 더 조절될 수 있다.CDKs는 세린과 트레오닌에서 기질을 인산화하므로 세린-트레오닌 키나아제이다.[1]CDK 기질의 아미노산 배열 중 인산화 부위의 컨센서스 배열은 [S/T*]PX[K/R]이며, 여기서 S/T*는 인산화 세린 또는 트레오닌,[1] P는 프롤린, X는 아미노산, K는 리신, R은 아르기닌이다.

종류들

표 1: 알려진 CDK와 그 사이클린 파트너, 사람[3] 내에서의 기능 및 생쥐에서의 삭제[4] 결과
CDK Cyclin 파트너 기능. 마우스에서의 삭제 표현형
CDk1 사이클린 B M상 없음.
CDk2 사이클린 E G1/S 이행 크기가 줄어들고 신경 전구세포가 증식합니다생존 가능하지만, 수컷과 암컷 모두 불임입니다.
CDk2 사이클린 A S상, G2상
Cdk3 사이클린 C G1 단계 결함이 없습니다.생존가능하고, 비옥하다.
CDk4 사이클린 D G1 단계 크기가 작아지고 인슐린 결핍 당뇨병입니다생존 가능하지만 남녀 불임 환자입니다

세포주기의 CDK와 사이클린

알려진 대부분의 사이클린-CDK 복합체는 세포 주기 동안의 진행을 조절합니다.동물 세포는 적어도 9개의 CDK를 포함하고, 그 중 4개의 CDK1, 2, 3, 4는 세포 주기 [1]조절에 직접 관여한다.포유류의 세포에서는 CDK1과 그 파트너인 사이클린 A2와 B1이 세포주기를 [4]주도할 수 있다.또 하나의 [1]CDK7은 CDK활성화인산화효소로서 간접적으로 관여한다.사이클린-CDK 복합체는 특정 세포주기상에 [3]적합한 기질을 인산화한다.초기 세포 사이클 단계의 사이클린-CDK 복합체는 후기 [1]단계에서 사이클린-CDK 복합체를 활성화하는 데 도움을 준다.

표 2: 셀 사이클 단계별 사이클린과 CDK
단계 사이클린 CDK
G0 C Cdk3
G1 D, E Cdk4, Cdk2, Cdk6
S A, E CDk2
G2 A Cdk2, Cdk1
M B CDk1
표 3: 모델[1] 유기체의 세포 사이클을 제어하는 사이클린 의존성 키나아제
종. 이름. 원래 이름 크기(아미노산) 기능.
사카로미세스 세레비시아 CDk1 CDC28 298 모든 셀 사이클 단계
시오당류 폼베 CDk1 CDC2 297 모든 셀 사이클 단계
드로소필라멜라노가스터 CDk1 CDC2 297 M
CDk2 CDC2c 314 G1/S, S, 아마도 M
CDk4 CDk4/6 317 G1, 성장을 촉진하다
라에비스이노푸스 CDk1 CDC2 301 M
CDk2 297 S(M일 수 있음)
호모 사피엔스 CDk1 CDC2 297 M
CDk2 298 G1, S, 아마도 M
CDk4 301 G1
CDk6 326 G1

조절 단백질, 사이클린 또는 기타 CDK 목록:

활동 규제

CDK 레벨은 세포 사이클 전체에 걸쳐 비교적 일정하게 유지되며 대부분의 조절은 변환 후 이루어집니다.CDK 구조와 기능에 대한 대부분의 지식은 S. pombe(Cdc2), S. cerevisiae(CDC28), 척추동물(CDC2 및 CDK2)의 CDK에 기초한다.CDK 조절의 네 가지 주요 메커니즘은 사이클린 결합, CAK 인산화, 조절 억제 인산화 및 CDK 억제 서브유닛(CKIs)[5] 결합이다.

사이클린 결합

모든 키나아제들의 활성부위 또는 ATP 결합부위는 작은 아미노 말단엽과 더 큰 카르복시 [1]말단엽 사이의 균열이다.인간 Cdk2의 구조는 CDK가 사이클린 [1]결합에 의해 조절될 수 있는 수정된 ATP 결합 부위를 가지고 있다는 것을 밝혀냈다.T-루프 상에서 Thr 161에서 CDK-활성화인산화효소(CAK)에 의한 인산화는 복합 활성을 증가시킨다.사이클린이 없으면 활성화 루프 또는 T 루프라고 불리는 유연한 루프가 틈을 막고, 몇 가지 주요 아미노산 잔류물의 위치는 [1]ATP 결합에 최적화되지 않습니다.사이클린과 함께, 두 개의 알파 나선은 ATP 결합을 가능하게 하기 위해 위치를 바꿉니다.그 중 하나인 1차 시퀀스의 T루프 직전에 오는 L12 나선은 베타 가닥이 되어 T루프의 [1]재배열을 지원하므로 활성 부위를 더 이상 차단하지 않습니다.PSTAIRE 나선이라고 불리는 다른 알파 나선은 활성 [1]부위의 주요 아미노산 잔류물의 위치를 재배치하고 변화시키는 데 도움을 줍니다.

사이클린이 CDK와 [3]결합하는 데는 상당한 특이성이 있다.또한 사이클린 결합은 특정 [3]기질에 대한 사이클린-CDK 착체의 특이성을 결정한다.사이클린은 기판을 직접 결합하거나 CDK를 기판이 발견되는 아세포 영역에 위치시킬 수 있다.S사이클린의 기질특이성은 소수성 배치(MRAIL 배열 중심)에 의해 부여되며, 소수성 RXL(또는 Cy) 모티브를 포함하는 기질 단백질에 친화력을 가진다.Cyclin B1 및 B2는 각각 CDK결합영역 [1]외에서의 국재배열을 통해 Cdk1을 핵 및 Golgi에 국재시킬 수 있다.

인산화

사이클린 결합만으로도 Cdks의 부분 활성화가 발생하지만, 완전한 활성화는 CAK에 의한 인산화를 활성화해야 한다.동물 세포에서 CAK는 여기 보이는 것처럼 사이클린 결합 후에만 Cdk 서브유닛을 인산화한다.발아 효모는 사이클린이 없는 경우에도 Cdk를 인산화시킬 수 있는 다른 버전의 CAK를 포함하므로 두 가지 활성화 단계가 어느 순서로 발생할 수 있습니다.

완전한 키나아제 활성은 CDK의 활성 부위에 [1]인접한 트레오닌에서 인산화 활성화가 필요하다.이러한 인산화를 수행하는 CDK 활성화 키나제(CAK)의 정체성은 모델 [1]유기체에 따라 다르다.이 인산화 시기 또한 다양하다.포유류의 세포에서 활성화 인산화 작용은 사이클린 [1]결합 후에 일어난다.효모세포에서 그것은 사이클린 결합 [1]전에 발생한다.CAK 활성은 알려진 세포 주기 경로에 의해 조절되지 않으며, 사이클린 결합은 CDK [1]활성화를 위한 제한 단계이다.

인산화 활성화와 달리 CDK 억제 인산화 작용은 세포 주기 조절에 필수적이다.다양한 키나아제 및 포스파타아제들은 그들의 인산화 상태를 조절한다.인산티로신을 위치시키는 키나아제 중 하나는 모든 진핵생물에서 [1]보존되는 키나아제인 Wee1이다.핵분열 효모는 또한 티로신을 [1]인산화시킬 수 있는 두 번째 키나제 Mik1을 포함한다.척추동물들은 Wee1과 관련이 있지만 트레오닌과 티로신 [1]모두를 인산화시킬 수 있는 Myt1이라고 불리는 다른 두 번째 키나제를 포함하고 있다.Cdc25 계열의 포스파타아제들은 트레오닌과 티로신 [1]모두를 탈인산시킨다.

CDK 억제제

사이클린 의존성 키나제 억제제(CKI)는 사이클린-CDK 복합체와 상호작용하여 키나제 활성을 차단하는 단백질로, 보통 G1 동안 또는 환경 또는 손상된 [1]DNA로부터의 신호에 반응한다.동물 세포에는 두 가지 주요 CKI 패밀리가 있습니다: INK4 패밀리와 CIP/KIP [1]패밀리가 있습니다.INK4 계열 단백질은 엄격하게 억제되며 CDK 단량체를 결합합니다.CDK6-INK4 복합체의 결정 구조는 INK4 결합이 CDK를 비틀어 사이클린 결합과 키나아제 활성을 왜곡한다는 것을 보여준다.CIP/KIP 패밀리 단백질은 복합체의 사이클린과 CDK를 결합하며 억제 또는 활성화될 수 있습니다.CIP/KIP족 단백질은 복합체 [1]형성을 촉진하여 사이클린 D 및 CDK4 또는 CDK6 복합체를 활성화한다.

효모와 드로소필라에서 CKIs는 S- 및 M-CDK의 강력한 억제제이지만 G1/S-CDKs를 억제하지는 않는다.G1에서는 CKI의 레벨이 높으면 셀사이클이벤트의 순서가 어긋나는 것은 막을 수 있지만 G1/S-CDK를 통해 개시되는 Start 체크포인트를 통한 이행은 막을 수 없습니다.세포주기가 시작되면, 초기 G1/S-CDKs에 의한 인산화 작용은 CKIs의 파괴로 이어지며, 이후 세포주기 전이에서의 억제를 완화한다.포유류의 세포에서는 CKI 조절이 다르게 작용한다.포유류의 단백질 p27(Docapo in Drosophila)은 G1/S- 및 S-CDKs를 억제하지만 S- 및 M-CDKs를 [1]억제하지는 않는다.

분자 도킹 결과에 기초하여 리간드-3, 5, 14, 16은 서로 다른 CDK 동질 형태에 대한 교차 반응 없이 강력하고 특이적인 억제제로서 17개의 서로 다른 Pyrolone-fused benzosuberene 화합물 사이에서 스크리닝되었다.MD 시뮬레이션과 MM-PBSA 연구의 분석 결과 선택된 모든 복합체의 결합 에너지 프로파일이 밝혀졌다.선택된 리간드는 실험 약물 후보(로스코비틴)보다 더 잘 수행되었다.리간드-3과 14는 CDK7의 특이성을 나타내며, 리간드-5와 16은 CDK9에 특이성을 보였다.이러한 리간드는 자연적인 기원으로 인해 부작용의 위험이 낮을 것으로 예상된다.[6]

동적 시뮬레이션 및 결합 자유 에너지 연구 해석 결과, 리간드2(내부 합성 피롤론-융착 벤조수브렌(PBS) 화합물 17개 중)는 플라보피리돌, SU9516 및 CVT-313 억제제에 안정적이고 동등한 자유 에너지를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.리간드2는 리간드 효율과 결합 친화성에 기초하여 오프타깃 결합(CDK1, CDK9)이 없는 CDK2의 선택적 억제제로서 정밀 조사되었다.[7]

CDK2의 그래피컬

Suk1 또는 Cks

세포 주기 조절에 직접 관여하는 CDK는 Suk1 또는 [3]Cks라고 불리는 작은 9~13kloDalton 단백질과 관련된다.이 단백질들은 CDK 기능에 필요하지만 정확한 역할은 알려지지 않았다.[3]Cks1은 CDK의 카르복시엽을 결합시켜 인산화 잔기를 인식한다.이것은 [3]기질에 대한 친화력을 증가시킴으로써 다중 인산화 부위를 가진 기질과의 사이클린-CDK 복합체를 도울 수 있다.

비사이클린 활성제

바이러스성 사이클린

바이러스는 사이클린에 대한 배열 상동성을 가진 단백질을 부호화할 수 있다.한 가지 많이 연구된 예는 CDK6를 활성화하는 카포시 육종 헤르페스 바이러스(카포시 육종 참조)의 K-사이클린(또는 v-사이클린)이다.바이러스성 사이클린-CDK 복합체는 서로 다른 기질 특이성과 조절 [8]민감도를 가진다.

CDK5 액티베이터

단백질 p35와 p39는 CDK5를 활성화한다.그들은 사이클린 배열 상동성이 없지만 결정 구조는 p35가 사이클린과 비슷한 방식으로 접힌다는 것을 보여준다.그러나 CDK5의 활성화는 활성화 루프 [8]인산화 과정이 필요하지 않다.

링고/속도

사이클린 계열에 대한 상동성이 없는 단백질은 CDK의 직접적인 [9]활성화제가 될 수 있다.이러한 활성제의 한 패밀리는 원래 Xenopus에서 발견된 RINGO/Speedy [9]패밀리다.지금까지 발견된 5개의 부재 모두 Cdk1과 Cdk2를 직접 활성화하지만 RINGO/Speedy-CDK2 복합체는 사이클린 A-CDK2 [8]복합체와는 다른 기판을 인식한다.

역사

릴랜드 H. 하트웰, R. 티모시 헌트, 폴 M. 간호사는 세포 주기 조절의 핵심인 사이클린과 사이클린 의존성 키나제 메커니즘을 완전히 설명한 공로로 2001년 노벨 생리의학상을 수상했다.

의학적 의의

CDK의 질병

약물 표적으로

주요 기사 : CDK 억제제

CDK는 항암제의 잠재적 표적으로 여겨진다.CDK 작용을 방해함으로써 암세포의 세포주기 조절을 선택적으로 방해할 수 있다면 세포는 죽게 된다.현재 셀리시립과 같은 일부 CDK 억제제는 임상시험을 진행 중이다.당초 잠재적 항암제로 개발됐지만 셀리시립은 [10]염증을 중재하는 호중구 과립구에서도 아포토시스를 유도하는 것으로 입증됐다.관절염이나 낭포성 섬유증 등 만성 염증 질환을 치료할 수 있는 새로운 약이 개발될 수 있다는 뜻이다.

플라보피리돌(alvocidib)은 1992년 항암제 검사에서 확인된 후 임상시험에서 시험된 최초의 CDK 억제제이다.CDKs의 [11]ATP 부지를 놓고 경쟁합니다.전이성 유방암을 발현하는 호르몬 수용체(에스트로겐 수용체/프로제스토겐 수용체)의 관리에 Palbociclib 및 abemaciclib가 내분비 [12][13]치료와 조합하여 승인되었다.

그러나 CDK 매개 경로의 교란은 잠재적으로 심각한 결과를 초래하기 때문에 더 많은 연구가 필요하다. CDK 억제제는 유망해 보이지만, 표적 세포만 영향을 받도록 부작용을 제한할 수 있는 방법을 결정해야 한다.현재는 심각한 부작용이 있는 글루코콜티코이드로 치료하고 있기 때문에 조금만 성공해도 [12]개선된다.

CDK 약물의 개발의 복잡성에는 많은 CDK가 세포 주기에 관여하지 않고 전사, 신경 생리학,[14] 포도당 항상성과 같은 다른 과정이 관여한다는 사실이 포함된다.

사이클린 의존성 키나아제 억제제[14]: Table 4
약물 CDK 금지
플라보피리돌(alvocidib) 1, 2, 4, 6, 7, 9
올로무신 1, 2, 5
로스코비틴(셀리시립) 1, 2, 5, 7, 9[15][16][6]
푸르발라놀 1, 2, 5
폴론즈 1, 2, 5
부트리오락톤 1, 2, 5
팔보시클리브 4, 6
티오/옥소플라보피리돌스 1
옥신돌 2
파드라시립 2, 9[17]
아미노티아졸류 4
벤조카바졸레 4
피리미딘류 4

레퍼런스

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab Morgan DO (2007). The Cell Cycle: Principles of Control (1st ed.). London: New Science Press. ISBN 978-0-87893-508-6.
  2. ^ Lee MG, Nurse P (1987). "Complementation used to clone a human homologue of the fission yeast cell cycle control gene cdc2". Nature. 327 (6117): 31–5. Bibcode:1987Natur.327...31L. doi:10.1038/327031a0. PMID 3553962. S2CID 4300190.
  3. ^ a b c d e f g Morgan DO (1997). "Cyclin-dependent kinases: engines, clocks, and microprocessors". Annual Review of Cell and Developmental Biology. 13: 261–91. doi:10.1146/annurev.cellbio.13.1.261. PMID 9442875.
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  6. ^ a b Singh R, Bhardwaj VK, Das P, Purohit R (November 2019). "Natural analogues inhibiting selective cyclin-dependent kinase protein isoforms: a computational perspective". Journal of Biomolecular Structure and Dynamics. 38 (17): 5126–5135. doi:10.1080/07391102.2019.1696709. PMID 3176087. S2CID 208276454.
  7. ^ a b Singh R, Bhardwaj VK, Sharma J, Das P, Purohit R (March 2021). "Identification of selective cyclin-dependent kinase 2 inhibitor from the library of pyrrolone-fused benzosuberene compounds: an in silico exploration". Journal of Biomolecular Structure and Dynamics: 1–9. doi:10.1080/07391102.2021.1900918. PMID 33749525. S2CID 232309609.
  8. ^ a b c Nebreda AR (April 2006). "CDK activation by non-cyclin proteins". Current Opinion in Cell Biology. 18 (2): 192–8. doi:10.1016/j.ceb.2006.01.001. PMID 16488127.
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  17. ^ 경구 파드라시립은 임상시험을 시작한다.2021년 9월

추가 정보

  • Loyer P, Trembley JH, Katona R, Kidd VJ, Lahti JM (September 2005). "Role of CDK/cyclin complexes in transcription and RNA splicing". Cellular Signalling. 17 (9): 1033–51. doi:10.1016/j.cellsig.2005.02.005. PMID 15935619.

외부 링크