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 está en un estado activado. La especificidad del sustrato del complejo activado está establecida principalmente por la ciclina asociada dentro del complejo. La actividad de las CDKC está controlada por la fosforilación de las proteínas diana, así como por la unión de las proteínas inhibidoras. [2]
La estructura de las CDK en complejo con subunidades de ciclina (CDKC) ha sido durante mucho tiempo un objetivo de los biólogos estructurales y celulares a partir de 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 con una resolución de 2,3 Angstrom. [3] Desde entonces, se han determinado muchas estructuras de CDK con mayor resolución, incluidas las estructuras de CDK2 y CDK2 unidas 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, existen dos poblaciones generales de estructuras de complejos CDK-ciclina, forma abierta y forma cerrada. La diferencia entre las formas radica en la unión de los socios de ciclina, donde los complejos de forma cerrada tienen unión CDK-ciclina tanto en los extremos C como N del bucle de activación de la CDK, mientras que los socios de forma abierta se unen solo en el extremo N. Las estructuras de forma abierta corresponden con mayor frecuencia a los complejos involucrados en la regulación transcripcional (CDK 8, 9, 12 y 13), mientras que los complejos de forma cerrada CDK-ciclina están involucrados con mayor frecuencia en la progresión y regulación del ciclo celular (CDK 1, 2, 6). Sin embargo, estas funciones distintas no difieren significativamente con la homología de secuencia entre los componentes de la CDK. En particular, entre estas estructuras conocidas parece haber cuatro regiones conservadas principales: un bucle rico en glicina N-terminal, una región bisagra, una hélice αC y un sitio de regulación del bucle T. [4]
El bucle de activación , también conocido como bucle T, es la región de CDK (entre los motivos DFG y APE en muchas CDK) [4] que es enzimáticamente activa cuando CDK está unida a su pareja funcional específica. En los complejos CDK-ciclina, esta región de activación está compuesta por una hélice αL-12 conservada y contiene un residuo fosforilable clave (normalmente 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 de ATP de los complejos CDK-ciclina por CAK (quinasa activadora de ciclina, en referencia al complejo CDK7-ciclina H en las células humanas). Después de la hidrólisis del ATP para fosforilar en este sitio, estos complejos pueden completar su función prevista, la fosforilación de dianas celulares. Es importante señalar que en CDK 1, 2 y 6, el bucle T y una región C-terminal separada son los principales sitios de unión de ciclinas en la CDK, y qué ciclinas se unen 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 αL-12 Helix de este componente estructural. [4]
El bucle rico en glicina (bucle rico en Gly) que se observa en los residuos 12-16 en CDK2 codifica un motivo GXGXXG conservado en modelos animales y de levadura. La región reguladora está sujeta a fosforilación diferencial en residuos que no son de glicina dentro de este motivo, lo que hace que este sitio esté sujeto a la fosforilación de la quinasa inhibidora Wee1 y/o Myt1 y a la desfosforilación de Cdc25 en mamíferos. Esta fosforilación reversible en el bucle rico en Gly en CDK2 ocurre en Y15, donde la actividad se ha estudiado más a fondo. El estudio de este residuo ha demostrado que la fosforilación promueve un cambio conformacional que evita la unión de ATP y sustrato por interferencia estérica con estos sitios de unión necesarios en el bucle de activación de los complejos CDK-ciclina. Esta actividad se ve facilitada por la notable flexibilidad que tiene el bucle rico en Gly 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 del sustrato sin cambios importantes en la estructura general del complejo CDK-ciclina. [3] [5]
La región bisagra conservada de CDK dentro de 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. En la discusión del bucle T y el bucle rico en glicina, es importante señalar que estas regiones, que deben poder interactuar espacialmente para llevar a cabo sus funciones bioquímicas, se encuentran en lóbulos opuestos de la propia CDK. Por lo tanto, esta región bisagra, que puede variar ligeramente en longitud entre el tipo de CDK y el complejo CDK-ciclina, conecta regiones reguladoras esenciales de la CDK conectando estos lóbulos y desempeña papeles clave en la estructura resultante de los complejos CDK-ciclina al orientar adecuadamente el ATP para una fácil catálisis de las reacciones de fosforilación por el complejo ensamblado. [3] [4]
La región αC-Helix está altamente conservada en muchos de los kinomas de mamíferos (familia de quinasas ). Su principal responsabilidad es mantener el control alostérico del sitio activo de la quinasa. Este control se manifiesta en los complejos CDK-ciclina al prevenir específicamente la actividad de la CDK hasta que se une a su regulador asociado (es decir, ciclina u otra proteína asociada). Esta unión causa un cambio conformacional en la región αC-Helix de la CDK y permite que se mueva desde la hendidura del sitio activo y complete el proceso inicial de activación del T-loop. Dado que esta región está tan conservada en toda la superfamilia de proteínas de las quinasas, este mecanismo donde se ha demostrado que la αC-Helix se pliega fuera del lóbulo N-terminal de la quinasa, lo que permite un mayor acceso a la αL-12 Helix que se encuentra dentro del T-loop, se considera un objetivo potencial para el desarrollo de fármacos. [6]
Aunque estos complejos tienen una variedad de funciones, las CDKC son más conocidas por su papel en el ciclo celular . Inicialmente, los estudios se llevaron a cabo en Schizosaccharomyces pombe y Saccharomyces cerevisiae (levadura). S. pombe y S. cerevisiae son más conocidos por su asociación con una sola Cdk, Cdc2 y Cdc28 respectivamente, que forma complejos con varias ciclinas diferentes. [7] Dependiendo de la ciclina, se ven afectadas varias 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 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 con Cdc28 y se forman complejos entre Cdc28 y Clb5 o Clb6. En la fase G2, los complejos formados a partir de 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 en la fase M temprana. [2] Consulte la Tabla 1 para obtener un resumen de las CDKC de levadura.
A partir de lo que se conoce sobre los complejos formados 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]
Utilizando la información descubierta a través de estudios del ciclo celular de la levadura, se ha logrado un progreso significativo con respecto al ciclo celular de los mamíferos. Se ha determinado que los ciclos celulares son similares y que las 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) está asociada con varias ciclinas diferentes. Sin embargo, en las células de mamíferos, varias CDK diferentes se unen a varias ciclinas para formar CDKC. Por ejemplo, Cdk1 (también conocida como Cdc2 humana), la primera CDK humana en ser 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 posiblemente estar vinculada a la especificidad o activación del sustrato. [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] Consulte la Tabla 2 para obtener un resumen de las CDKC de células de mamíferos involucradas en el ciclo celular.
Durante la fase G 1 tardía, las 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 evitan la proliferación celular descontrolada que se produciría durante la formación del tumor. Sin embargo, también se cree que las pRb reprimen los genes necesarios para que se produzca la transición de la fase G 1 a la fase S. Cuando la célula está lista para la transición a la siguiente fase, las CDKC, ciclina D1-Cdk4 y ciclina D1-Cdk6 fosforilan pRB, seguido de una fosforilación adicional de la ciclina E-Cdk2 CDKC. [11] [12] Una vez que se produce la fosforilación, se liberan factores de transcripción para inactivar irreversiblemente pRB y se produce la progresión a la fase S del ciclo celular. [13] La ciclina E-Cdk2 CDKC formada en la fase G 1 ayuda a la iniciación de la replicación del ADN durante la fase S. [1]
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 los complejos ciclina B-Cdk1. Los complejos ciclina B-Cdk1 no solo son importantes para la transición a la fase M, sino que estas CDKC desempeñan un papel en los siguientes procesos regulatorios y estructurales: [1]
La inactivación del complejo ciclina B-Cdk1 a través de la degradación de la ciclina B es necesaria para salir de la fase M del ciclo celular. [1]
Aunque la mayoría de las CDKC conocidas están implicadas en el ciclo celular, no todos los complejos de quinasas funcionan de esta manera. Los estudios han demostrado que otras CDKC, como la ciclina k-Cdk9 y la ciclina T1-Cdk9, están implicadas en la respuesta al estrés de replicación , [14] e influyen en la transcripción . [15] [16] [17] Además, los complejos de ciclina H-Cdk7 pueden desempeñar un papel en la meiosis en las células germinales masculinas, [18] y se ha demostrado que también están implicados en actividades transcripcionales. [1] [19]