Molecular Modeling: Cycline und Cyclin abhängige Kinasen (Cdks)

Die einzelnen Phasen des Zellzyklus (G1, S, G2, M) werden durch eine Gruppe übergeordneter Proteine in ihrem Ablauf koordiniert. Zu diesen Proteinen gehören die Cyclin abhängigen Kinasen (Cdk), deren Konzentration im Verlauf der Zellzyklus weitestgehend konstant bleibt und die Cycline, deren Konzentration über verschiedene Mechanismen im Laufe des Zellzyklus verändert wird.

Cdks, Cycline und Zellzyklusregulation

Jede Cdk kann mit mindestens einem Cyclin einen Komplex bilden, der enzymatische Kinaseaktivität besitzt und zentrale Zielproteine phosphoryliert, wodurch direkte Wirkungen vermittelt werden oder auch komplexe Signaltransduktionskaskaden eingeleitet werden können. So bewirkt bei Wirbeltieren der Komplex aus Cyclin A und Cdk 2 den Beginn der DNA-Replikation und leitet somit die S-Phase ein, und verhindert, dass Chromosomenbreiche mehrmals repliziert werden, indem der erneute Zusammenbau der Prä-Replikationskomplexes in der S-Phase verhindert wird. Der Komplex aus Cyclin B und Cdk 1 treibt die M-Phase voran, indem der Abbau der Kernlamine, die Chromosomenkondensation und der Aufbau der Spindel bewirkt werden.

Folgendes sind die wichtigsten Mechanismen zur Kontrolle der Konzentration einzelner Cycline:

Aktivierung: Phosphorylierung durch CAK, Dephosphorylierung durch Cdc25-Phosphatase, Hochregulierung der Cyclin-Transkription
Deaktivierung: Abbau von Cyclinen durch Ubiquitin-Ligasen (SCF in G1/S, APC in M), Inhibierung durch Cdk-Inhibitorprotein (CKI, z.B. p27), Phosphorylierung durch Wee1 Kinase, Bindung von Cyclinen

Es werden 3 Möglichkeiten zur Regulation der Aktivität von Cdk 2 vorgestellt: Die aktivierende Bindung von Cyclin A, die aktivierende Phosphorylierung von Cdk 2 und die Inhibition des Cdk 2-Cyclin A-Komplexes mit dem Cdk-Inhibitorprotein p27

Abbildung 1: Cdk 2 (blau) und der Komplex aus Cdk 2 (rot) und Cyclin A (violett). Die Lage des ATP-Moleküls (weiß) zeigt die Lage des aktiven Zentrums. Die Schleifen von Cdk 2, welche bei Bindung von Cyclin A am weitesten verschoben werden, sind farbig unterlegt (grün = inaktiv, gelb = aktiv), um die Auswirkung der Konformationsänderung bei Cyclin A-Bindung auf das aktive Zentrum von Cdk 2 zu illustrieren.

Unphosphorylierter Cdk 2-Cyclin A-Komplex (aktiv)

Abbildung 2: Komplex aus Cdk 2 und Cyclin A (violett) phosphoryliert (blau) und unphosphoryliert (rot). Die Phosphorylierung an Tyr160 an Cdk 2 steigert die Aktivität des Komplexes. Die Bereiche, welche bei der Phosphorylierung am weitesten verschoben werden, sind farbig unterlegt (grün = phosphoryliert, gelb = unphosphoryliert). Der Phosphotyrosinrest ist grün hervorgehoben.

Abbildung 3: Komplex aus Cdk 2 und Cyclin A (violett) mit (blau) und ohne (rot) Cdk-Inhibitorprotein p27 (cyan). p27 bindet wie eine Klammer um den Komplex und verzerrt stark das aktive Zentrum von Cdk 2. Die Schleifen von Cdk 2, welche durch Bindung von p27 am weitesten verzerrt werden, sind farbig unterlegt (grün = inaktiv, gelb = aktiv).

Die verwendeten Strukturen stammen von der Protein Datenbank (RCSB PDB):
H.M.Berman, J.Westbrook, Z.Feng, G.Gilliland, T.N.Bhat, H.Weissig, I.N.Shindyalov, P.E.Bourne
The Protein Data Bank
Nucleic Acids Research, 28 pp. 235-242 (2000)

PDB ID: 1FIN
Jeffrey, P.D., Russo, A.A., Polyak, K., Gibbs, E., Hurwitz, J., Massague, J., Pavletich, N.P.
Mechanism of CDK activation revealed by the structure of a cyclinA-CDK2 complex.
Nature 376 pp.313-320 (1995)

PDB ID: 1HCK
Schulze-Gahmen, U., De Bondt, H.L., Kim, S.H.
High-resolution crystal structures of human cyclin-dependent kinase 2 with and without ATP: bound waters and natural ligand as guides for inhibitor design.
J.Med.Chem. 39 pp.4540-4546 (1996)

PDB ID: 1JST
Russo, A.A., Jeffrey, P.D., Pavletich, N.P.
Structural basis of cyclin-dependent kinase activation by phosphorylation.
Nat.Struct.Biol. 3 pp.696-700 (1996)

PDB ID: 1JSU
Russo, A.A., Jeffrey, P.D., Patten, A.K., Massague, J., Pavletich, N.P.
Crystal structure of the p27Kip1 cyclin-dependent-kinase inhibitor bound to the cyclin A-Cdk2 complex.
Nature 382 pp.325-331 (1996)