Gen codificador de proteínas en la especie Homo sapiens
La quinasa dependiente de ciclina 5 es una proteína, y más específicamente una enzima, codificada por el gen Cdk5. Fue descubierta hace 15 años y se expresa principalmente en las neuronas del sistema nervioso central (SNC) postmitóticas.
La molécula pertenece a la familia de las quinasas dependientes de ciclina . Las quinasas son enzimas que catalizan reacciones de fosforilación. Este proceso permite que el sustrato obtenga un grupo fosfato donado por un compuesto orgánico conocido como ATP. Las fosforilaciones son de vital importancia durante la glucólisis , por lo que las quinasas son una parte esencial de la célula debido a su papel en el metabolismo, la señalización celular y muchos otros procesos.
Estructura
Cdk5 es una serina/treonina quinasa dirigida por prolina, que se identificó por primera vez como miembro de la familia CDK debido a su estructura similar a CDC2/CDK1 en humanos, una proteína que juega un papel crucial en la regulación del ciclo celular.
El gen Cdk5 contiene 12 exones en una región que contiene alrededor de 5000 nucleótidos (5kb), según lo determinó Ohshima después de clonar el gen Cdk5 que pertenecía a un ratón.
Cdk5 tiene 292 aminoácidos y presenta estructuras de hélice α y de cadena β. [5]
Aunque Cdk5 tiene una estructura similar a otras quinasas dependientes de ciclina, sus activadores son altamente específicos ( CDK5R1 y CDK5R2 ).
Algunas investigaciones [6] han demostrado que los estados activos de las proteínas quinasas difieren estructuralmente entre sí para preservar la geometría de su maquinaria y que la salida catalítica funcione correctamente. La quinasa Cdk5 también tiene un diseño original.
La Cdk5 pertenece a las proteínas quinasas eucariotas (ePK). La estructura cristalina del dominio catalítico de la proteína quinasa dependiente de AMPc mostró que posee 2 lóbulos; por un lado, tiene un lóbulo pequeño, un N-terminal dispuesto como una estructura de lámina β antiparalela. Además, contiene motivos nucleotídicos como una forma de orientar el nucleótido para la transferencia de fosfo. Por otro lado, el lóbulo grande, un C-terminal, tiene forma helicoidal, lo que ayuda a identificar el sustrato e incluye residuos cruciales para la transferencia de fosfo.
Papel fisiológico
Dolor
Recientemente, la CDK5 ha emergido como una quinasa esencial en las vías sensoriales. Informes recientes de Pareek et al. sugieren su necesidad en la señalización del dolor. La CDK5 es necesaria para el desarrollo adecuado del cerebro y, para activarse, debe asociarse con CDK5R1 o CDK5R2 . [7] [8] A diferencia de otras quinasas dependientes de ciclina, la CDK5 no requiere también la fosforilación en el bucle T. Por lo tanto, la unión con el activador es suficiente para activar la quinasa. [9]
Neuronas
La Cdk5 es abundante y se expresa principalmente en las neuronas, donde fosforila polímeros proteicos de alto peso molecular llamados neurofilamentos y la proteína tau asociada a microtúbulos, que son abundantes en el SNC (sistema nervioso central). [10] La enzima está involucrada en muchos aspectos del desarrollo y las funciones neuronales.
El papel principal de Cdk5 en las neuronas es asegurar una migración neuronal adecuada. Las neuronas envían dendritas y axones para formar conexiones con otras neuronas con el fin de transmitir información, y Cdk5 regula este proceso. Para que funcione, Cdk5 necesita ser activada por p35 (estos 3 aminoácidos, Asp-259, Asn-266 y Ser-270, están involucrados en la formación de enlaces de hidrógeno con Cdk5 [11] ) o p39 (la isoforma de p35), que son dos de sus subunidades reguladoras específicas de neuronas. Esto significa que el nivel de expresión de p35 y p39 va a estar relacionado con la actividad de la enzima. Si hay una alta actividad de Cdk5 durante el desarrollo cerebral, sus activadores tendrán una alta expresión. De hecho, cuando se realizaron estudios en ratones sin p35 y p39, los resultados fueron los mismos que los observados en ratones sin Cdk5: se observaron claras alteraciones de las estructuras laminares de la corteza cerebral, el bulbo olfatorio, el hipocampo y el cerebelo. El correcto desarrollo y funcionamiento de estas áreas depende de Cdk5, que depende de la correcta expresión de p35 y p39. Además, Cdk5 colabora con la señalización de Reelin para asegurar la correcta migración neuronal en el cerebro en desarrollo.
La Cdk5 no sólo está implicada en la migración neuronal. La enzima también ayuda a gestionar la extensión de las neuritas, la formación de sinapsis y la transmisión sináptica. Cabe destacar que la Cdk5 también regula el proceso de apoptosis, necesario para asegurar que las conexiones neuronales que se forman sean correctas. Además, debido a que la Cdk5 también interviene en la regulación de la plasticidad sináptica, está implicada en los procesos de aprendizaje y formación de la memoria, así como en la creación de adicción a las drogas.
Además, Cdk5 modula la dinámica del citoesqueleto de actina fosforilando Pak1 y filamina 1 y regula los microtúbulos fosforilando también tau, MAP1B, doblecortina, Nudel y CRMP, que son proteínas asociadas a los microtúbulos. Una expresión no adecuada de Cdk5 generará defectos en estos sustratos que pueden conducir a múltiples enfermedades. Por ejemplo, un defecto en la filamina 1 en humanos provoca heterotopia periventricular; y un defecto en Lis1 y doblecortina causará lisencefalia tipo 1. De hecho, cuatro miembros de una familia musulmana israelí consanguínea que sufría de lisencefalia-7 con hipoplasia cerebelosa tenían una mutación en el sitio de empalme del gen Cdk5. [12] [13]
Abuso de drogas
Se ha demostrado que la Cdk5 está directamente relacionada con el abuso de drogas. Se ha comprobado que las drogas actúan sobre el sistema de recompensa alterando las vías de transducción de señales intracelulares, en las que participa la Cdk5. [14] Tras la administración repetida, se modifican varios componentes de la señalización de la dopamina, incluidos cambios en la expresión genética y en el circuito de las neuronas dopaminoceptivas.
En el ejemplo de la cocaína, CREB (cAMP Response Element Binding) provoca un aumento transitorio de la expresión génica inmediata-temprana en el cuerpo estriado, así como la expresión de isoformas ΔFosB , que se acumulan y persisten en las neuronas del cuerpo estriado con una vida media extremadamente larga. Muchos estudios han revelado que la sobreexpresión de ΔFosB debido al abuso de drogas es la causa de una regulación positiva de Cdk5, que se produce aguas abajo de la expresión de ΔFosB en el cuerpo estriado, incluido el núcleo accumbens.
Se ha establecido que con la exposición repetida a drogas como la cocaína y la sobreexpresión de las isoformas ΔFosB, Cdk5 se regula positivamente, mediada por la regulación positiva de p35.
También se ha demostrado que esta enzima tiene un papel importante en la regulación de la neurotransmisión dopaminérgica. De hecho, Cdk5 puede actuar sobre el sistema dopaminérgico fosforilando DARPP-32. Como consecuencia de la sobreexpresión de Cdk5, también se produce un aumento del número de puntos de ramificación dendríticos y espinas, tanto en las neuronas espinosas medianas del núcleo accumbens como en las neuronas piramidales de la corteza prefrontal medial . De ahí su implicación en el sistema de recompensa y, por extensión, en la adicción.
Un análisis más profundo de la relación entre la proporción de Cdk5 y los efectos de las drogas ha demostrado que existe una fuerte dependencia de la dosis y la frecuencia de administración. [15] Por ejemplo, si la frecuencia de la dosis de cocaína es baja, o la dosis se administra de forma continua durante un período, los efectos de la cocaína estarán presentes aunque la producción de Cdk5 en el núcleo accumbens, en el área tegmental ventral y la actividad de la corteza prefrontal no aumente. Sin embargo, cuando se trata de dosis significativamente frecuentes, los efectos de la cocaína no se muestran a pesar de la mayor proporción de Cdk5. Esas diferencias se pueden explicar por el hecho de que Cdk5 es un estado de transición a la sobreexposición a drogas como la cocaína.
Se ha sugerido que la Cdk5 puede ser un objetivo terapéutico en el tratamiento de las adicciones. Por ejemplo, se ha demostrado que la administración sostenida de antagonistas de la Cdk5 inhibe el crecimiento de las dendritas espinosas en el núcleo accumbens, lo que podría ser una vía para el tratamiento de las adicciones. Además, la Cdk5 podría utilizarse como marcador diagnóstico de la adicción.
Páncreas
Aunque el papel principal de la Cdk5 está relacionado con la migración neuronal, su impacto en el cuerpo humano no se limita al sistema nervioso. De hecho, la Cdk5 desempeña un papel importante en el control de la secreción de insulina en el páncreas.
De hecho, esta enzima se ha encontrado en las células β pancreáticas y se ha demostrado que reduce la exocitosis de insulina al fosforilar L-VDCC (canal de Ca 2+ dependiente de voltaje de tipo L ). [16]
Sistema inmunitario
Durante la activación de las células T , la Cdk5 fosforila la coronina 1a, una proteína que contribuye al proceso de fagocitosis y regula la polarización de la actina . Por lo tanto, esta quinasa promueve la supervivencia y la motilidad de las células T. [17]
La Cdk5 también participa en la producción de interleucina 2 (IL-2), una citocina implicada en la señalización celular , por parte de las células T. Para ello, interrumpe la represión de la transcripción de la interleucina 2 por parte de la histona desacetilasa 1 (HDAC1) a través de la fosforilación de la proteína mSin3a. Esto reduce la capacidad del complejo HDAC1/mSin3a de unirse al promotor de IL-2, lo que conduce a un aumento de la producción de interleucina 2. [18]
Regulación de la exocitosis
La exocitosis de vesículas sinápticas también está regulada por CdK5, con la fosforilación de la proteína munc-18-a, indispensable para la secreción, ya que tiene una gran afinidad con un derivado del receptor SNAP (proteína SNARE). Esta fosforilación se demostró con la simulación de la secreción de células neuroendocrinas, ya que la actividad de Cdk5 aumentó. Al eliminar Cdk5, la secreción de noradrenalina disminuyó. [19]
Memoria
Gracias a un experimento con ratones se demostró que existe una relación entre la memoria y la Cdk5. Por un lado, los ratones no mostraban miedo integrado por una actividad previa cuando la Cdk5 estaba inactivada. Por otro lado, cuando se aumentaba la actividad de la enzima en el hipocampo -donde se almacenan los recuerdos- el miedo reaparecía.
Remodelación del citoesqueleto de actina en el cerebro
Durante la embriogénesis , Cdk5 es esencial para el desarrollo cerebral, ya que es crucial para la regulación del citoesqueleto que a su vez es importante para la remodelación en el cerebro. [20] Varios procesos neuronales: señalización del dolor, adicción a las drogas, cambios de comportamiento, formación de recuerdos y aprendizaje, relacionados con el desarrollo del cerebro, derivan de modificaciones rápidas en el citoesqueleto. Una remodelación negativa del citoesqueleto neuronal se asociará con una pérdida de sinapsis y neurodegeneración en enfermedades cerebrales, donde la actividad de Cdk5 está desregulada. Por lo tanto, la mayor parte de los sustratos de Cdk5 están relacionados con el esqueleto de actina; tanto los fisiológicos como los patológicos. Algunos de ellos han sido identificados en las últimas décadas: ephexin1, p27, Mst3, CaMKv, kalirin-7, RasGRF2, Pak1, WAVE1, neurabin-1, TrkB, 5-HT6R, talin, drebrina, sinapsina I, sinapsina III, CRMP1, GKAP, SPAR, PSD-95 y LRRK2. [20]
Regulación del reloj circadiano
El reloj circadiano de los mamíferos está controlado por Cdk5 con la fosforilación de PER2. [21] [22] En el laboratorio, Cdk5 se bloqueó en el SCN (núcleo supraquiasmático, un oscilador maestro del sistema circadiano), en consecuencia, el período de funcionamiento libre en ratones se redujo. Durante el período diurno, el PER2 [23] (en el residuo de serina 394) fue fosforilado por Cdk5, por lo que el criptocromo 1 (CRY1 [24] ) pudo interactuar fácilmente con él y el complejo PER2-CRY1 entró en el núcleo. El ciclo y el período circadianos moleculares se establecen correctamente gracias a la tarea de Cdk5 como conductor nuclear de estas proteínas.
Regulador de la apoptosis celular y supervivencia celular.
Además de todas las funciones mencionadas anteriormente, la Cdk5 está involucrada en numerosas funciones celulares como la movilidad celular, la supervivencia , la apoptosis y la regulación genética. [16] [25]
La membrana plasmática, el citosol y la región perinuclear son los lugares donde se encuentran los activadores de Cdk5/p35. Sin embargo, Cdk5 también puede ser activado por la ciclina I, este regulador provoca un aumento en la expresión de proteínas de la familia BCl-2, las cuales están asociadas con funciones antiapoptóticas.
Papel en la enfermedad
La explicación química de una amplia variedad de trastornos neurológicos lleva a la Cdk5; la fosforilación anormal de tau es una acción patológica llevada a cabo por esta quinasa y los ovillos neurofibrilares son las consecuencias.
Enfermedades neurodegenerativas
La Cdk5 desempeña un papel esencial en el sistema nervioso central. Durante el proceso de embriogénesis, esta quinasa es necesaria para el desarrollo del cerebro; y en el cerebro adulto, la Cdk5 es necesaria para muchos procesos neuronales; por ejemplo, el aprendizaje y la formación de recuerdos. Sin embargo, si la actividad de la Cdk5 se desregula, puede conducir a enfermedades neurológicas muy graves, como el Alzheimer, el Parkinson, la esclerosis múltiple y la enfermedad de Huntington. [26]
La enfermedad de Alzheimer (EA) [27] es responsable del 50-70% de todos los casos de demencia. Algunos estudios han demostrado que un exceso de actividad de Cdk5, una proteína quinasa dirigida por prolina, conduce a la hiperfosforilación de tau , un proceso que se observa en muchos pacientes con EA. Los activadores de Cdk5, p35 y p39 (ambos son proteínas miristoiladas que están ancladas a las membranas celulares), pueden ser escindidos por la calpaína activada por calcio a p25 y p29. Esto dará como resultado una migración de las proteínas desde la membrana celular a las regiones nucleares y perinucleares, y una desregulación de la actividad de Cdk5. p25 y p29 tienen vidas medias que son de 5 a 10 veces más largas que las de p35 y p39. Esto es increíblemente problemático debido a que puede conducir a la acumulación de activadores de Cdk5 y a un exceso de actividad de Cdk5, lo que luego causa hiperfosforilación de tau. Además de eso, un aumento en los niveles de Aβ también puede conducir a la hiperfosforilación de tau al estimular la producción de p25. Por lo tanto, Cdk5 podría ser un objetivo farmacológico potencial para tratar a pacientes con EA porque su inhibición podría reducir la hiperfosforilación de tau y, en consecuencia, reducir la formación de NFT (ovillos neurofibrilares) y ralentizar el proceso de neurodegeneración. [13]
La enfermedad de Huntington (EH) es otra enfermedad neurodegenerativa que está algo relacionada con la actividad de Cdk5. La proteína relacionada con la dinamina 1 ( Drp1 ) es un elemento esencial en la fisión mitocondrial. Cdk5 puede alterar la distribución subcelular de Drp1 y su actividad. De hecho, se ha observado que la inhibición de la quinasa hiperactiva permite que Drp1 funcione correctamente en la fragmentación mitocondrial para evitar la neurotoxicidad en el cerebro. Además, Cdk5 puede influir en la alteración de la morfología mitocondrial o su potencial transmembrana, lo que puede conducir a la muerte celular y la neurodegeneración. Esto significa que Cdk5 es una posible diana terapéutica para tratar la disfunción mitocondrial que conduce al desarrollo de la EH. [28]
Enfermedad de Parkinson (EP): [29] Se considera que Cdk5 está estrechamente implicada en la enfermedad de Parkinson. Esta enfermedad neurodegenerativa está causada por la pérdida progresiva de células nerviosas en la parte del cerebro llamada sustancia negra , entre otras. Cdk5 es capaz de formar un complejo con p25 (péptido de escisión de p35): Cdk5/p25. P25 conducirá a la hiperactividad de Cdk5. El resultado de la formación de este complejo es la apoptosis de las células nerviosas y la neuroinflamación. Este descubrimiento podría usarse para tratar la enfermedad de Parkinson. Para inhibir el complejo Cdk5/p25, podríamos usar un antagonista de Cdk5: CIP. Los resultados de este tratamiento han sido sorprendentemente positivos. De hecho, podemos notar que no solo se apaciguaron los síntomas del Parkinson, sino también que el CIP resultó proteger la pérdida de neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra.
Esclerosis múltiple (EM): [30] es una de las enfermedades en las que un fallo en la remielinización [31] puede provocar daño axonal duradero y una pérdida irreversible de la función. La quinasa dependiente de ciclina 5 está implicada en el proceso, ya que regula el oligodendrocito (desarrollo de OL9 y mielinización en el SNC). Los inhibidores de Cdk5 impiden la remielinización y alteran la actividad de las células neuronales. La baja expresión de MBP y proteína proteolipídica y la disminución del número de axones mielinizados indican la falta de reparación de la mielina.
Cáncer
La CDK5 está implicada en cánceres invasivos, aparentemente al reducir la actividad de la proteína reguladora de actina caldesmon . [32]
Un posible tratamiento contra el cáncer podría consistir en atacar a Cdk5 y evitar su unión a sus activadores y sustratos.
En estudios recientes [37] sobre radioterapia en pacientes con cáncer de pulmón de células grandes, se ha encontrado que la depleción de CDK5 disminuye el desarrollo de cáncer de pulmón y la resistencia a la radiación in vitro e in vivo. Se demostró que una disminución de Cdk5 redujo la expresión de TAZ, [38] un componente de la vía del hipotálamo . Como resultado, esta pérdida mitiga la activación de la señal del hipotálamo. En consecuencia, Cdk5 puede ser tratada como un objetivo para combatir el cáncer de pulmón.
Historia
La CDK5 se denominó originalmente NCLK (Neuronal CDC2-Like Kinase) debido a su motivo de fosforilación similar. La CDK5 en combinación con un activador también se denominó proteína quinasa Tau II. [39] Además, se ha informado que la CDK5 está involucrada en la activación de células T y desempeña un papel importante en el desarrollo de trastornos autoinmunes, como la esclerosis múltiple . [40]
Mapa interactivo de rutas
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Interacciones
Se ha demostrado que la quinasa dependiente de ciclina 5 interactúa con diferentes moléculas y sustratos:
El gen CABLES1 codifica una proteína de unión a cinasa dependiente de ciclina, cuyo nombre completo es Cdk5 y sustrato de enzima Abl 1. Esta proteína de unión une a Cdk5 y c-Abl , una tirosina cinasa. La c-Abl activa fosforila a CDK5 en la tirosina 15, un proceso potenciado por la proteína CABLES1. Como resultado, aumenta la actividad de Cdk5/p35 en las neuronas en desarrollo. CABLES1 y la fosforilación mencionada pueden desempeñar un papel importante en la regulación del crecimiento axonal . [46]
El gen llamado CABLES2 codifica para otra proteína de unión, Cdk5 y el sustrato enzimático Abl 2. Aunque se desconoce su función, podría estar involucrado en la transición del ciclo celular G1-S , una etapa entre el crecimiento celular y la replicación del ADN. [47]
Además, Cdk5 fosforila la tirosina quinasa asociada a la apoptosis (AATK). Esta proteína probablemente induce el arresto del crecimiento y la apoptosis de las células precursoras mieloides , y también activa CdkR1. [48]
La enzima glutatión S-transferasa P , codificada por el gen GSTP1, provoca una regulación negativa, o reducción, de la actividad de Cdk5. Esto se logra a través de la translocación p25/p35 para prevenir la neurodegeneración . [49]
La Cdk5 se une a la proteína histona desacetilasa 1 (HDAC1). Cuando la Cdk5/p25 desregula la HDAC1, aparece una actividad anormal del ciclo celular y se rompe el ADN de doble cadena, lo que causa neurotoxicidad . [50]
La Cdk5 también interactúa con la endonucleasa APEX1 . La quinasa fosforila la Thr-233, lo que provoca una acumulación de daño en el ADN y, finalmente, la muerte neuronal. [52]
La Cdk5 fosforila y regula la proteína supresora de tumores p53 . En las células PC12 apoptóticas hay un aumento simultáneo de los niveles de Cdk5 y p53, por lo que se piensa que el mecanismo por el cual la Cdk5 induce la apoptosis podría estar causado por la fosforilación y activación de p53. [53]
La Cdk5 también fosforila la quinasa de adhesión focal (FAK), lo que puede estimular la translocación nuclear, que desempeña un papel importante en la migración neuronal, al regular la estructura de los microtúbulos asociados al centrosoma . [55]
El receptor 6 de 5-hidroxitriptamina (HTR6), que se cree que controla la transmisión neuronal colinérgica en el cerebro, gestiona la migración de neuronas piramidales durante la corticogénesis . Para ello, el HTR6 regula la actividad de Cdk5. [56]
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Lectura adicional
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Enlaces externos
Ciclina dependiente + quinasa + 5 en los encabezados de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.