CAMKK-Familie

Einige Mitglieder der CaM-Kinase-Familie sind Substrate anderer Kinasen, die ihrerseits von Ca²⁺/CaM abhängig sind. Die Ca²⁺/CaM-abhängigen Proteinaktivatoren von CaMKI und CaMKIV wurden separat gereinigt. Es zeigte sich jedoch bald, dass es sich bei diesen Aktivatoren um dasselbe Molekül handelt, das heute als Calmodulin-abhängige Proteinkinase-Kinase (CaMKK) bezeichnet wird und das am weitesten stromaufwärts gelegene Element der CaM-Kinase-Kaskade darstellt, an der die drei oben genannten CaM-Kinasen beteiligt sind. Die konkreten Vorteile unabhängiger Enzyme in einer Signalkaskade, die durch denselben allosterischen Modulator (Ca²⁺/CaM) aktiviert wird, sind nicht vollständig geklärt; die CaM-Kinase-Kaskade ist jedoch nicht das einzige Beispiel für ein solches System. Ein potenzieller Vorteil dieser Anordnung ist der Effekt des dynamischen Proofreadings. Dabei stellt der diffusionslimitierte Schritt der Kopplungsreaktion sicher, dass nachgeschaltete Enzyme nicht vollständig aktiviert werden, sofern die Dauer des Ca²⁺-Signals nicht ausreichend lang ist, sodass beide mit Ca²⁺/CaM komplexieren und anschließend zueinander finden können. Es erscheint plausibel zu untersuchen, wie die Enzyme der CaM-Kinase-Kaskade Ereignisse der Gen-Transkription regulieren, die langfristige biologische Veränderungen bewirken können, welche nur über fehlerabsichernde Mechanismen initiiert werden können.

Isoformen von CaMKK

CaMKK liegt in zwei Isoformen vor: einer Alpha-Isoform mit 505 Aminosäuren und einer etwas größeren Beta-Isoform mit 587 Aminosäuren. Jede wird von einem separaten Gen exprimiert; in der Zelle liegen sie jeweils als Monomere vor. CaMKK wird am stärksten im Gehirngewebe exprimiert, Alpha-Isoformen werden jedoch auch im Thymus und in der Milz exprimiert. Intrazellulär ist CaMKK im Zytoplasma und im Zellkern lokalisiert, ist darauf vorbereitet, auf Änderungen der Ca²⁺-Konzentration in Zytoplasma und Zellkern zu reagieren, und wirkt in der CaM-Kinase-Kaskade auf zwei bekannte Substrate. Die Domänenarchitektur der beiden CaMKK-Isoformen ähnelt der anderer CaM-Kinasen und umfasst katalytische, autoinhibitorische und CaM-Bindedomänen, die sich vom N‑Terminus bis zum C‑Terminus erstrecken. Obwohl die Kristallstruktur von CaMKK bislang nicht aufgeklärt wurde, könnte sie anderen CaM-Kinasen sehr ähnlich sein, die wiederum ausgeprägte strukturelle Ähnlichkeiten zur PKA aufweisen. Wie bei allen CaM-abhängigen Kinasen hält die autoinhibitorische Domäne von CaMKK das Enzym in einem inaktiven Zustand, indem sie mit der katalytischen Domäne interagiert und so die Kinaseaktivität verhindert. Die Bindung von Ca²⁺/CaM schwächt diese Inhibition ab, indem die autoinhibitorische Domäne verdrängt und das funktionelle katalytische Zentrum freigelegt wird. Dies führt zur Aktivierung von CaMKK und zur nachfolgenden Phosphorylierung der nachgeschalteten Substrate CaMKI und CaMKIV – ein für deren Aktivierung notwendiges, jedoch nicht hinreichendes Ereignis.

CaMKI-Kinasen

CaMKI ist eines von zwei nachgeschalteten Zielen in der CaM-Kinase-Kaskade; seine Aktivierung erfordert daher sowohl die Bindung von Ca²⁺/CaM als auch die anschließende Phosphorylierung durch CaMKK. Es handelt sich um eine monomere Kinase von etwa 42 kDa, die von drei Genen exprimiert wird, welche die Subtypen α, β und γ kodieren, und die in den meisten Säugerzellen weit verbreitet ist. CaMKI ist ein zytoplasmatisches Protein; über das Spektrum seiner Proteinsubstrate ist wenig bekannt, vermutlich erfüllt es multiple Funktionen.

Allgemeine Merkmale der Ca²⁺/Calmodulin-aktivierten Proteinkinase (CaM-Kinase)

Die Mitglieder der CaM-Kinase-Familie werden sämtlich als Ser/Thr-Kinasen klassifiziert; ihre Substrat‑P‑Stellen (Zielstellen der Phosphorylierung) enthalten jeweils Serin oder Threonin. Wie der Name nahelegt, hängt die Aktivierung initial von der Bindung von Ca²⁺/CaM ab; es ist jedoch klar, dass einige nach der Aktivierung Ca²⁺/CaM-unabhängig werden können oder für weitere Modifikationen (d. h. Phosphorylierung) zusätzliche Modulatoren benötigen, um eine vollständige Aktivierung zu erreichen. Diese regulatorischen Unterschiede ermöglichen es einer relativ kleinen Proteinfamilie, eine außerordentlich präzise Kontrolle über zahlreiche unterschiedliche zelluläre Funktionen auszuüben. Die Gesamtdomänenstruktur der CaM-Kinasen ähnelt stark der Struktur der PKA und umfasst eine bilobuläre katalytische Domäne, gefolgt von einer Autoinhibitionsdomäne und einer CaM-Bindedomäne. Autoinhibitionsdomäne und CaM-Bindedomäne überlappen sich geringfügig, und die Bindung von Ca²⁺/CaM reguliert die Funktion der Autoinhibitionsdomäne. Bei basalen Ca²⁺-Spiegeln verbleiben CaM-Kinasen durch einen autoinhibitorischen Mechanismus in einem inaktiven Zustand, der regulatorische Domänen stromabwärts der katalytischen Domäne einbezieht. Aktuelle Daten deuten darauf hin, dass CaM-Kinasen beide Strategien nutzen, mitunter sogar eine Kombination aus beiden. Unabhängig vom Autoinhibitionsmechanismus wird bei Anstieg der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration (entweder durch Öffnung eines Rezeptor-/Ionenkanals oder durch Freisetzung aus intrazellulären Speichern) CaM mit vier Ca²⁺-Ionen gesättigt und durchläuft eine Konformationsänderung, wodurch die Bindung an eine Zielstelle auf CaM erleichtert wird.

Referenz:

1. Swulius M T; et al. Ca²⁺/Calmodulin-dependent Protein Kinases. Cellular and Molecular Life Sciences, 2008, 65(17):2637-2657.