CAMKK-Familie

Einige Mitglieder der CaM-Kinase-Familie sind Substrate für andere Kinasen, die selbst von Ca²⁺/CaM abhängen. Die Ca²⁺/CaM-abhängigen Proteinaktivatoren von CaMKI und CaMKIV wurden separat gereinigt. Es wurde bald entdeckt, dass diese Aktivatoren dasselbe Molekül sind, das jetzt als calmodulinabhängige Protein-Kinase-Kinase (CaMKK) bezeichnet wird, welches das am weitesten upstream gelegene Element der CaM-Kinase-Kaskade ist, die die drei oben genannten CaM-Kinasen umfasst. Die genauen Vorteile, unabhängige Enzyme in einer Signalkaskade zu haben, die durch dasselbe allosterische Modulator (Ca²⁺/CaM) aktiviert werden, sind nicht vollständig verstanden, aber die CaM-Kinase-Kaskade ist nicht das einzige Beispiel für ein solches System. Ein potenzieller Vorteil dieser Anordnung ist der dynamische Korrekturmechanismus. Auf diese Weise stellt der diffusionseingeschränkte Schritt der Kopplungsreaktion sicher, dass nachgelagerte Enzyme nicht vollständig aktiviert werden, es sei denn, die Dauer des Ca²⁺-Signals ist lang genug, dass alle sowohl mit Ca²⁺/CaM kombiniert werden können und dann einen anderen finden. Es wäre sinnvoll zu sehen, wie die CaM-Kinase-Kaskade von Enzymen die Gen-Transkriptionsereignisse reguliert, die langfristige biologische Veränderungen hervorrufen können, die nur durch fehlervermeidende Mechanismen initiiert werden können.

Isoformen von CaMKK

CaMKK hat zwei Isoformen, eine Alpha-Isoform mit 505 Aminosäuren und eine etwas größere Beta-Isoform mit 587 Aminosäuren. Jede wird von einem separaten Gen exprimiert, und sie werden alle als Monomere in der Zelle exprimiert. CaMKK wird am höchsten im Gehirngewebe exprimiert, aber Alpha-Isoformen werden auch im Thymus und in der Milz exprimiert. In der Zelle befindet sich CaMKK im Zytoplasma und im Zellkern, bereitet sich darauf vor, auf Veränderungen der Ca²⁺-Konzentration im Zytoplasma und Zellkern zu reagieren, und wirkt auf zwei bekannte Substrate in der CaM-Kinase-Kaskade. Die Domänenstrukturen der beiden CaMKK-Isoformen sind ähnlich wie bei anderen CaM-Kinasen, mit katalytischen, selbstinhibitorischen und CaM-bindenden Domänen, und ihre Strukturen erstrecken sich vom N-Terminus bis zum C-Terminus. Obwohl die Kristallstruktur von CaMKK nicht gelöst wurde, könnte sie sehr ähnlich zu anderen CaM-Kinasen sein, die sehr ähnliche Eigenschaften wie PKA aufweisen. Wie alle CaM-abhängigen Kinasen hält die selbstinhibitorische Domäne von CaMKK es in einem inaktiven Zustand, der mit der katalytischen Domäne interagiert, um die Kinaseaktivität zu verhindern. Die Bindung von Ca²⁺/CaM mildert diese Hemmung, indem sie die selbstinhibitorische Domäne verdrängt und eine effektive katalytische Stelle freilegt. Dies führt zur Aktivierung von CaMKK und zur anschließenden Phosphorylierung seiner nachgelagerten Substrate CaMKI und CaMKIV, ein Ereignis, das notwendig, aber nicht ausreichend für seine Aktivierung ist.

CaMKI-Kinasen

CaMKI ist eines von zwei nachgelagerten Zielen in der CaM-Kinase-Kaskade, sodass seine Aktivierung sowohl die Bindung von Ca²⁺/CaM als auch die anschließende Phosphorylierung durch CaMKK erfordert. Es ist eine monomere Kinase von etwa 42 kDa, die von drei Genen kodiert wird, die α-, β- und γ-Subtypen kodieren, und ist in den meisten Säugetierzellen weit verbreitet. CaMKI ist ein zytoplasmatisches Protein, und es ist wenig über das Ausmaß seines Protein-Substrats bekannt, es hat wahrscheinlich mehrere Funktionen.

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

Die Mitglieder der CaM-Kinase-Familie werden alle als Ser/Thr-Kinasen klassifiziert, und ihre Substrat-P-Stellen (Zielstellen für Phosphorylierung) enthalten alle Ser oder Thr. Wie der Name schon sagt, hängt die Aktivierung zunächst von der Bindung von Ca²⁺/CaM ab, aber es ist klar, dass einige von ihnen nach der Aktivierung unabhängig von Ca²⁺/CaM werden können oder andere Modifikatoren für andere Modifikationen (d.h. Phosphorylierung) benötigen, um eine vollständige Aktivierung zu erreichen. Diese regulatorischen Unterschiede ermöglichen es relativ kleinen Familien von Proteinen, eine so hervorragende Kontrolle über viele verschiedene zelluläre Funktionen auszuüben. Die Gesamtstruktur der CaM-Kinase ähnelt sehr der Struktur von PKA, von denen eine eine bilobale katalytische Domäne ist, gefolgt von einer Selbstinhibitionsdomäne und einer CaM-bindenden Domäne. Die Selbstunterdrückungsdomäne und die CaM-bindende Domäne überlappen sich leicht, und die Bindung von Ca²⁺/CaM reguliert die Funktion der Selbstunterdrückungsdomäne. Bei basalen Ca²⁺-Niveaus bleiben CaM-Kinasen durch einen autoinhibitorischen Mechanismus, der regulatorische Domänen stromabwärts der katalytischen Domäne umfasst, inaktiv. Aktuelle Daten deuten darauf hin, dass die CaM-Kinase beide Strategien verwendet, manchmal sogar eine Kombination aus beiden. Unabhängig vom Selbstinhibitionsmechanismus, wenn die intrazelluläre Ca²⁺-Konzentration steigt (entweder durch Öffnen des Rezeptors/Ionenkanals oder durch Freisetzung aus dem intrazellulären Speicher), wird CaM mit vier Ca²⁺-Ionen gesättigt und erfährt eine konformationale Änderung, die die Bindung an eine Zielstelle auf CaM^- ermöglicht.

Referenz:

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