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Articulo de referencia

Complejo de quinasa dependiente de ciclina

La estructura del complejo Cdk2–ciclina A–p27, determinada mediante cristalografía de rayos X, revela que el inhibidor p27 (en rojo) se extiende a lo largo de la parte superior ...

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La estructura del complejo Cdk2–ciclina A–p27, determinada mediante cristalografía de rayos X, revela que el inhibidor p27 (en rojo) se extiende a lo largo de la parte superior del complejo ciclina–Cdk. En la estructura solo se muestra la región amino-terminal de p27. El extremo amino-terminal de este fragmento contiene un motivo RXL que interactúa con la región hidrofóbica de la ciclina A. El extremo carboxilo-terminal del fragmento p27 interactúa extensamente con la lámina beta de Cdk2, provocando importantes alteraciones en su estructura; además, p27 se inserta en el sitio de unión de ATP de Cdk2 e inhibe directamente dicha unión. (PDB 1jsu)

Un complejo de quinasa dependiente de ciclina ( CDKC , ciclina-CDK ) es un complejo proteico formado por la asociación de una subunidad catalítica inactiva de una proteína quinasa, la quinasa dependiente de ciclina (CDK), con una subunidad reguladora, la ciclina . [ 1 ] Una vez que las quinasas dependientes de ciclina se unen a la ciclina, el complejo formado se encuentra en un estado activado. La especificidad del sustrato del complejo activado se establece principalmente por la ciclina asociada dentro del complejo. La actividad de los CDKC está controlada por la fosforilación de proteínas diana, así como por la unión de proteínas inhibidoras. [ 2 ]

Estructura y regulación

La unión de la ciclina por sí sola provoca la activación parcial de las Cdk, pero la activación completa también requiere la fosforilación activadora por CAK. En las células animales, CAK fosforila la subunidad Cdk solo después de la unión de la ciclina, por lo que los dos pasos en la activación de la Cdk generalmente se ordenan como se muestra aquí, con la unión de la ciclina ocurriendo primero. La levadura de gemación contiene una versión diferente de CAK que puede fosforilar la Cdk incluso en ausencia de ciclina, por lo que los dos pasos de activación pueden ocurrir en cualquier orden. En todos los casos, CAK tiende a estar constantemente en exceso en la célula, por lo que la unión de la ciclina es el paso limitante de la velocidad en la activación de la Cdk.
El sitio central de reconocimiento del sustrato en las Cdks se encuentra en el bucle T del sitio activo, que interactúa con la secuencia consenso SPXK que contiene el sitio de fosforilación (véase la figura 3-12). Un motivo RXL en algunos sustratos interactúa con la región hidrofóbica de la ciclina, aumentando así la velocidad de fosforilación. La presencia de un bolsillo de unión a fosfato en la subunidad accesoria Cks1 puede facilitar las interacciones con dianas que contienen múltiples sitios de fosforilación.

La estructura de las CDK en complejo con una subunidad de ciclina (CDKC) ha sido durante mucho tiempo un objetivo de los biólogos estructurales y celulares desde la década de 1990 cuando Brown et al. resolvieron la estructura de la ciclina A no unida y en el mismo año Jeffery et al. resolvieron la estructura del complejo ciclina A-CDK2 humano a una resolución de 2,3 Angstrom. [ 3 ] Desde entonces, se han determinado muchas estructuras de CDK a mayor resolución, incluidas las estructuras de CDK2 y CDK2 unida a una variedad de sustratos, como se ve en la Figura 1. Existen estructuras de alta resolución para aproximadamente 25 complejos CDK-ciclina en total dentro del Protein Data Bank . [ 4 ] Según la función, hay dos poblaciones generales de estructuras de complejos CDK-ciclina, forma abierta y cerrada. La diferencia entre las formas radica en la unión de las ciclinas asociadas, donde los complejos de forma cerrada presentan unión CDK-ciclina tanto en el extremo C como en el extremo N del bucle de activación de la CDK, mientras que las formas abiertas se unen únicamente en el extremo N. Las estructuras de forma abierta corresponden con mayor frecuencia a los complejos implicados en la regulación transcripcional (CDK 8, 9, 12 y 13), mientras que los complejos CDK-ciclina de forma cerrada suelen estar implicados en la progresión y regulación del ciclo celular (CDK 1, 2 y 6). Sin embargo, estas funciones distintas no difieren significativamente en la homología de secuencia entre los componentes de la CDK. En particular, entre estas estructuras conocidas parecen existir cuatro regiones conservadas principales: un bucle rico en glicina en el extremo N, una región de bisagra, una hélice αC y un sitio de regulación del bucle T. [ 4 ]

Bucle de activación

El bucle de activación , también conocido como bucle T, es la región de la CDK (entre los motivos DFG y APE en muchas CDK) [ 4 ] que es enzimáticamente activa cuando la CDK se une a su pareja específica de función. En los complejos CDK-ciclina, esta región de activación está compuesta por una hélice αL-12 conservada y contiene un residuo fosforilable clave (generalmente treonina para las parejas CDK-ciclina, pero también incluye serina y tirosina) que media la actividad enzimática de la CDK. Es en este residuo esencial (T160 en los complejos CDK2, T177 en los complejos CDK6) donde tiene lugar la fosforilación enzimática por ATP de los complejos CDK-ciclina por la CAK (cinasa activadora de ciclina, que se refiere al complejo CDK7-ciclina H en células humanas). Tras la hidrólisis del ATP para fosforilar en este sitio, estos complejos pueden completar su función prevista: la fosforilación de dianas celulares. En las CDK 1, 2 y 6, el bucle T y una región C-terminal independiente son los principales sitios de unión de ciclinas en la CDK, y la unión de cada ciclina a cada una de estas CDK está mediada por la secuencia particular del bucle T del sitio de activación. Estos sitios de unión de ciclinas son las regiones de mayor variabilidad en las CDK, a pesar de la homología de secuencia relativamente alta que rodea el motivo de hélice αL-12 de este componente estructural. [ 4 ]

Región rica en glicina

El bucle rico en glicina (bucle Gly-rich), presente en los residuos 12-16 de CDK2, codifica un motivo GXGXXG conservado tanto en levaduras como en modelos animales. La región reguladora está sujeta a fosforilación diferencial en residuos distintos de la glicina dentro de este motivo, lo que hace que este sitio sea susceptible a la fosforilación por las quinasas inhibidoras Wee1 y/o Myt1 y a la desfosforilación por Cdc25 en mamíferos. Esta fosforilación reversible en el bucle Gly-rich de CDK2 ocurre en Y15, donde se ha estudiado su actividad con mayor detalle. El estudio de este residuo ha demostrado que la fosforilación promueve un cambio conformacional que impide la unión de ATP y sustrato mediante interferencia estérica con estos sitios de unión necesarios en el bucle de activación de los complejos CDK-ciclina. Esta actividad se ve favorecida por la notable flexibilidad que presenta el bucle Gly-rich dentro de la estructura de la mayoría de las CDK, lo que permite que su rotación hacia el bucle de activación tenga un efecto significativo en la reducción de la afinidad por el sustrato sin cambios importantes en la estructura general del complejo CDK-ciclina. [ 3 ] [ 5 ]

Región de bisagra

La región bisagra conservada de la CDK en las células eucariotas actúa como un puente esencial entre el bucle rico en glicina y el bucle de activación. Las CDK se caracterizan por un lóbulo N-terminal que es principalmente una lámina beta retorcida conectada, a través de esta región bisagra, a un lóbulo C-terminal dominado por una hélice alfa. Al hablar del bucle T y el bucle rico en glicina, es importante señalar que estas regiones, que deben interactuar espacialmente para llevar a cabo sus funciones bioquímicas, se encuentran en lóbulos opuestos de la propia CDK. Por lo tanto, esta región bisagra, cuya longitud puede variar ligeramente entre los distintos tipos de CDK y complejos CDK-ciclina, conecta regiones reguladoras esenciales de la CDK mediante la unión de estos lóbulos y desempeña un papel fundamental en la estructura resultante de los complejos CDK-ciclina al orientar adecuadamente el ATP para facilitar la catálisis de las reacciones de fosforilación por parte del complejo ensamblado. [ 3 ] [ 4 ]

Hélice αC

La región de la hélice αC está altamente conservada en gran parte del quinoma de mamíferos (familia de quinasas ). Su principal función es mantener el control alostérico del sitio activo de la quinasa. Este control se manifiesta en los complejos CDK-ciclina al impedir específicamente la actividad de la CDK hasta que se une a su regulador asociado (es decir, la ciclina u otra proteína asociada). Esta unión provoca un cambio conformacional en la región de la hélice αC de la CDK y permite que se desplace fuera de la hendidura del sitio activo, completando así el proceso inicial de activación del bucle T. Dado que esta región está tan conservada en la superfamilia de proteínas de las quinasas, este mecanismo, en el que se ha demostrado que la hélice αC se pliega fuera del lóbulo N-terminal de la quinasa, permitiendo un mayor acceso a la hélice αL-12 que se encuentra dentro del bucle T, se considera una diana potencial para el desarrollo de fármacos. [ 6 ]

El ciclo celular

ciclo celular de la levadura

Aunque estos complejos tienen diversas funciones, los CDKC son más conocidos por su papel en el ciclo celular . Inicialmente, los estudios se realizaron en Schizosaccharomyces pombe y Saccharomyces cerevisiae (levadura). S. pombe y S. cerevisiae son más conocidos por su asociación con un único Cdk, Cdc2 y Cdc28 respectivamente, que forma complejos con varias ciclinas diferentes. [ 7 ] Dependiendo de la ciclina, se ven afectadas diversas partes del ciclo celular. Por ejemplo, en S. pombe , Cdc2 se asocia con Cdk13 para formar el complejo Cdk13-Cdc2. En S. cerevisiae , la asociación de Cdc28 con las ciclinas, Cln1, Cln2 o Cln3, da como resultado la transición de la fase G1 a la fase S. Una vez en la fase S, Cln1 y Cln2 se disocian de Cdc28 y se forman complejos entre Cdc28 y Clb5 o Clb6. En la fase G2, los complejos formados por la asociación entre Cdc28 y Clb1, Clb2, Clb3 o Clb4 dan como resultado la progresión de la fase G2 a la fase M (mitótica). Estos complejos también están presentes al inicio de la fase M. [ 2 ] Véase la Tabla 1 para un resumen de los CDKC de levadura.

Tabla 1. CDKCs asociadas a las fases del ciclo celular en levaduras.

A partir de lo que se sabe sobre los complejos que se forman durante cada fase del ciclo celular en la levadura, han surgido modelos propuestos basados ​​en sitios de fosforilación importantes y factores de transcripción involucrados. [ 7 ] [ 8 ]

Ciclo celular de los mamíferos

Utilizando la información descubierta a través de estudios del ciclo celular de levadura, se ha logrado un progreso significativo con respecto al ciclo celular de mamíferos. Se ha determinado que los ciclos celulares son similares y que los CDKC, ya sea directa o indirectamente, afectan la progresión del ciclo celular. Como se mencionó anteriormente, en la levadura, solo una quinasa dependiente de ciclina (CDK) se asocia con varias ciclinas diferentes. Sin embargo, en las células de mamíferos, varias CDK diferentes se unen a diversas ciclinas para formar CDKC. Por ejemplo, Cdk1 (también conocida como Cdc2 humana), la primera CDK humana identificada, se asocia con las ciclinas A o B. Los complejos ciclina A/B-Cdk1 impulsan la transición entre la fase G2 y la fase M, así como la fase M temprana. Otra CDK de mamíferos, Cdk2, puede formar complejos con las ciclinas D1, D2, D3, E o A. Cdk4 y Cdk6 interactúan con las ciclinas D1, D2 y D3. [ 9 ] Los estudios han indicado que no hay diferencia entre las CDKC ciclina D1-Cdk4/6, por lo tanto, cualquier propiedad única puede estar posiblemente vinculada a la especificidad del sustrato o activación. [ 1 ] Mientras que los niveles de CDK permanecen bastante constantes a lo largo del ciclo celular, los niveles de ciclina fluctúan. La fluctuación controla la activación de los complejos ciclina-CDK y, en última instancia, la progresión a lo largo del ciclo. [ 10 ] Véase la Tabla 2 para un resumen de las CDKC de células de mamíferos involucradas en el ciclo celular.

Tabla 2. CDKC asociadas con las fases del ciclo celular en células de mamíferos [ 4 ]
Figura 1. Expresión de las ciclinas A, B, D y E a través de las fases del ciclo celular .

Progresión de la fase G1 a la fase S

Durante la fase G1 tardía , los CDKC se unen y fosforilan a miembros de la familia de proteínas del retinoblastoma (Rb) . Los miembros de la familia de proteínas Rb son supresores tumorales, que previenen la proliferación celular descontrolada que ocurriría durante la formación de tumores. Sin embargo, también se cree que los pRb reprimen los genes necesarios para que ocurra la transición de la fase G1 a la fase S. Cuando la célula está lista para pasar a la siguiente fase, los CDKC, ciclina D1-Cdk4 y ciclina D1-Cdk6 fosforilan pRB, seguido de una fosforilación adicional por parte del CDKC ciclina E-Cdk2. [ 11 ] [ 12 ] Una vez que ocurre la fosforilación, se liberan factores de transcripción para inactivar irreversiblemente pRB y se produce la progresión a la fase S del ciclo celular. [ 13 ] El CDKC ciclina E-Cdk2 formado en la fase G1 ayuda a iniciar la replicación del ADN durante la fase S. [ 1 ]

Progresión de la fase G2 a la fase M

Al final de la fase S, la ciclina A se asocia con Cdk1 y Cdk2. Durante la fase G2, la ciclina A se degrada, mientras que la ciclina B se sintetiza y se forman complejos ciclina B-Cdk1. Estos complejos no solo son importantes para la transición a la fase M, sino que también desempeñan un papel en los siguientes procesos regulatorios y estructurales: [ 1 ]

  • Condensación cromosómica
  • Fragmentación de la red de Golgi
  • Desintegración de la lámina nuclear

La inactivación del complejo ciclina B-Cdk1 mediante la degradación de la ciclina B es necesaria para salir de la fase M del ciclo celular. [ 1 ]

Otro

Aunque la mayoría de los CDKC conocidos participan en el ciclo celular, no todos los complejos de quinasas funcionan de esta manera. Estudios han demostrado que otros CDKC, como la ciclina k-Cdk9 y la ciclina T1-Cdk9, participan en la respuesta al estrés de replicación [ 14 ] e influyen en la transcripción [ 15 , 16 , 17 ] . Además, los complejos ciclina H-Cdk7 pueden desempeñar un papel en la meiosis en las células germinales masculinas [ 18 ] y también se ha demostrado que participan en actividades transcripcionales [ 1 , 19 ] .

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 Malumbres M, Barbacid M. Quinasas dependientes de ciclinas en mamíferos. Trends Biochem. Sci. 2005 Nov;30(11):630-41
  2. 1 2 Lodish H, Baltimore D, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Darnell J. 1995. Biología celular molecular. 3.ª ed. Nueva York: Scientific American Books
  3. 1 2 3 Kristi Levine, Frederick R Cross, Estructuración de la biología del ciclo celular, Structure, Volumen 3, Número 11, 1995, Páginas 1131-1134, ISSN 0969-2126, doi : 10.1016/S0969-2126(01)00248-9 .
  4. 1 2 3 4 5 6 Wood, DJ, & Endicott, JA (2018). Perspectivas estructurales sobre la diversidad funcional de la familia CDK-ciclina. Open biology, 8(9), 180112.
  5. ↑ Malumbres: Quinasas dependientes de ciclina. Genome Biology, 2014, 15:22, doi : 10.1186/gb4184
  6. ↑ Lorenzo Palmieri, Giulio Rastelli, Desplazamiento de la hélice αC como un enfoque general para la modulación alostérica de las quinasas de proteínas, Drug Discovery Today, Volumen 18, Números 7–8, 2013, Páginas 407-414, ISSN 1359-6446, doi : 10.1016/j.drudis.2012.11.009 .
  7. 1 2 Simon I, Barnett J, Hannett N, Harbison CT, Rinaldi NJ, Volkert TL, Wyrick JJ, Zeitlinger J, Gifford DK, Jaakkola TS, Young RA. Regulación en serie de los reguladores transcripcionales en el ciclo celular de la levadura. Cell. 21 de septiembre de 2001;106(6):697-708.
  8. ↑ Barik D, Baumann WT, Paul MR, Novak B, Tyson JJ . Un modelo de regulación del ciclo celular de la levadura basado en la fosforilación en múltiples sitios. Mol Syst Biol. 24 de agosto de 2010;6:405.
  9. ↑ Malumbres M, Barbacid M. Ciclo celular, CDK y cáncer: un paradigma cambiante. Nat Rev Cancer. 2009 Mar;9(3):153-66.
  10. ↑ Vermeulen K, Van Bockstaele DR, Berneman ZN. El ciclo celular: una revisión de la regulación, desregulación y objetivos terapéuticos en el cáncer. Cell Prolif. 2003 Jun;36(3):131-49.
  11. ↑ Mittnacht S. Control de la fosforilación de pRB. Curr Opin Genet Dev. 1998 Feb;8(1):21-7.
  12. ^ Kaelin WG Jr. Funciones de la proteína del retinoblastoma. Bioensayos. 21(11):950-8, noviembre de 1999.
  13. ↑ Lundberg AS, Weinberg RA. La inactivación funcional de la proteína del retinoblastoma requiere una modificación secuencial por al menos dos complejos ciclina-cdk distintos. Mol Cell Biol. 1998 Feb;18(2):753-61.
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  15. ↑ Fu TJ, Peng J, Lee G, Price DH, Flores O. La ciclina K funciona como una subunidad reguladora de CDK9 y participa en la transcripción de la ARN polimerasa II. J Biol Chem. 3 de diciembre de 1999;274(49):34527-30.
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  17. ↑ Yu DS, Cortez D. Un papel para CDK9-ciclina K en el mantenimiento de la integridad del genoma. Cell Cycle. 1 de enero de 2011;10(1):28-32.
  18. ↑ Kim JM, McGaughy JT, Bogle RK, Ravnik SE. Expresión meiótica del complejo ciclina H/Cdk7 en células germinales masculinas del ratón. Biol Reprod. 2001 mayo;64(5):1400-8.
  19. ↑ Patel SA, Simon MC. Análisis funcional del complejo Cdk7.ciclina H.Mat1 en células madre embrionarias y embriones de ratón. J Biol Chem. 14 de mayo de 2010;285(20):15587-98.