Proteinkinase C alpha (PKCα) ist ein Enzym, das beim Menschen durch das PRKCA-Gen kodiert wird.

Funktionen

PKC-α zeigt einen wichtigen regulatorischen Effekt auf die Phospholipase D. Phospholipase D ist an der Plasmamembran lokalisiert und für die Hydrolyse von Phosphatidylcholin zu Phosphatidsäure und Cholin verantwortlich. Studien haben gezeigt, dass Phospholipase D durch die Beeinflussung zellulärer Prozesse wie Invasion und Migration eine Rolle in der Tumorigenese spielen kann. Es wurde gezeigt, dass Punktmutationen spezifischer Phenylalaninreste die Fähigkeit von PKC-α hemmen, Phospholipase D zu aktivieren. Der hemmende Effekt von PKC-α wird derzeit untersucht. Forschende erhoffen sich Erkenntnisse darüber, wie PKC-α genutzt werden kann, um die Aktivität der Phospholipase D zu reduzieren, und diese Funktion für die Entwicklung von Antitumorwirkstoffen zu verwenden.

Struktur

PKCα ist ein einkettiges Polypeptid mit einem Molekulargewicht von etwa 78 kDa. Es besteht aus einer regulatorischen Domäne am N-Terminus und einer katalytischen Domäne am C-Terminus. Beide sind durch eine „Hinge-Region“ verbunden, die durch eine Protease hydrolysiert werden kann. PKCα setzt sich aus vier konservierten Regionen C1 bis C4 und fünf variablen Regionen V1 bis V5 zusammen. Jede konservierte Region entspricht einem funktionellen Element; einige variable Regionen übernehmen ebenfalls eine partielle Funktionsregulation. Die V3-Region ist eine Hinge-Region, die die regulatorische mit der katalytischen Domäne verbindet. Die Aktivierung von PKC legt die V3-Region frei, die dann leicht durch Proteasen hydrolysiert werden kann, wodurch aktive Enzyme entstehen. Vor der C1-Region befindet sich eine Pseudosubstratstelle. Da an der Phosphorylierungsstelle Alanin Serin oder Threonin ersetzt, erfolgt keine Phosphorylierung, wodurch das aktive Zentrum des Enzyms blockiert wird. Diese Autoinhibition über Pseudosubstratstellen ist einer der autoregulatorischen Mechanismen, die bei vielen Proteinkinasen verbreitet sind. Die konservierte C1-Region von PKCα besteht aus zwei cysteinreichen, Zinkfinger-ähnlichen Tandemwiederholungen; sie enthält acht konservierte Reste des Typs C6H2 (HX12CX2CX4CX2CX4HX2CX7C), die mit zwei Zn²⁺ zwei Zinkfinger-ähnliche Strukturen bilden. Dies ist die Bindungsstelle für Ester und Phorbolester. Die konservierte C2-Region von PKCα stellt ausschließlich die Ca²⁺-Bindungsstelle dar und wird durch Ca²⁺ reguliert, während andere PKC-Aktivitäten nicht mit Ca²⁺ in Zusammenhang stehen. C3 und C4 sind konservierte Regionen innerhalb der katalytischen Domäne. Die C3-Region enthält ATP-Bindungsstellen. C4 enthält eine Substratbindungsstelle sowie die katalytische Kernsequenz DFG. Wenn die selbstinhibitorische Pseudosubstratsequenz vor der C1-Domäne nicht aktiviert ist, bindet sie an die C4-Substratbindungsregion und blockiert dadurch die Bindung des tatsächlichen Substrats. Bestimmte konservierte Reste in der katalytischen Domäne bilden die Aktivierungsschleife des PKC-katalytischen Kerns, die an sämtlichen Aspekten der Substraterkennung, -bindung und der Phosphatgruppen-Transferreaktion beteiligt ist.

Regulation

Die Proteinkinase-Familie wird durch allosterische Regulation gesteuert, d. h. durch die Bindung regulatorischer Moleküle, die Konformationsänderungen des Enzyms bewirken und dadurch die Enzymaktivität verändern. Der Hauptmechanismus der Regulation von PKC-α beruht jedoch auf der Interaktion mit Zellmembranen und weniger auf direkten Interaktionen mit spezifischen Molekülen. Auch die Zusammensetzung der Zellmembran beeinflusst die Funktion von PKC-α. Besonders wichtig ist die Anwesenheit von Calciumionen, Magnesiumionen und Diacylglycerolen (DAG), da sie die hydrophobe Domäne der Membran beeinflussen. Unterschiedliche Konzentrationen dieser drei Komponenten führen zu einer längeren oder kürzeren Ausprägung der hydrophoben Domäne. Eine Membran mit einer langen hydrophoben Domäne führt zu einer verminderten Aktivität, da PKC-α schwer in die Membran einzulagern ist. Bei niedrigen Konzentrationen ist die hydrophobe Domäne kürzer, wodurch PKC-α leichter in die Membran eingebaut werden kann und die Aktivität zunimmt.

Verteilung von PKCα in normalen Geweben

PKCα gehört zur klassischen PKC-Untergruppe und ist äußerst weit verbreitet. Es wird in nahezu allen Geweben exprimiert und ist an der Regulation zellulärer Funktionen beteiligt. PKCα ist im Myokardgewebe vorhanden und in Kardiomyozyten adulter sowie säugender Ratten reichlich vertreten. Im Rattengehirn findet sich PKCα ausschließlich in Neuronen und wurde nicht in Gliazellen nachgewiesen. Am 13. Tag der Embryonalentwicklung zeigt sich in Motoneuronen des Rückenmarks und der Halsmarkregion der Ratte eine PKCα-Verteilung um den Zellkern sowie in Dendriten und Axonen von Motoneuronen, die sich gerade aus dem Neuroepithel differenziert haben; der nukleäre PKC-Anteil nimmt in der weiteren Entwicklung allmählich ab.

Verteilung von PKCα in Tumorgewebe

Die meisten Studien deuten darauf hin, dass PKCα in Tumorgeweben hoch exprimiert ist, wodurch die Proliferation von Tumorzellen gefördert sowie Apoptose und Differenzierung von Tumorzellen gehemmt werden können. Studien haben gezeigt, dass PKCα eng mit humanen Gliomen assoziiert ist. Baltuch et al. stellten fest, dass die Überexpression von PKCα mit der Malignität von Gliomzellen in C6-Ratten in Zusammenhang steht.

Schlussfolgerungen

PKC weist unterschiedliche biologische und enzymatische Eigenschaften auf. Es bestehen bestimmte Unterschiede in Proteinstruktur, Genstruktur, Gewebeverteilung und Aktivatoren, und ihre Rollen in der zellulären Signaltransduktion unterscheiden sich deutlich. Jeder PKC-Subtyp verfügt über komplexe Funktionen und Regulationsmechanismen und ist an der Steuerung vielfältiger physiologischer und pathologischer Prozesse im Organismus beteiligt. In den letzten Jahren hat sich die Erforschung der Gesamtfunktion von PKC zunehmend hin zur separaten Untersuchung einzelner Mitglieder der PKC-Familie verlagert. Die Zusammenhänge zwischen PKCα-Subtypen und Signaltransduktionswegen sowie die Mechanismen der Zellproliferation, -differenzierung und -apoptose wurden in den letzten Jahren intensiv untersucht. Als Forschungsschwerpunkt bieten spezifische Inhibitoren breite Anwendungsperspektiven für die klinische Tumorsuppression.

Literatur

1. Wilson CH; et al. Steatosis inhibits liver cell store-operated Ca²⁺ entry and reduces ER Ca²⁺ through a protein kinase C-dependent mechanism. The Biochemical Journal. 2015, 466 (2): 379-90.
2. Micol V; et al. Correlation between protein kinase C alpha activity and membrane phase behavior. Biophysical Journal. 1999, 76 (2): 916-27.