CAMKK-Familie

Einige Mitglieder der CaM-Kinase-Familie sind Substrate für andere Kinasen, die ihrerseits von Ca²⁺/CaM abhängig sind. Die Ca²⁺/CaM-abhängigen Proteinaktivatoren von CaMKI und CaMKIV wurden separat gereinigt. Es wurde bald entdeckt, dass diese Aktivatoren dasselbe Molekül waren, das heute als Calmodulin-abhängige Proteinkinase-Kinase (CaMKK) bezeichnet wird, welches das am weitesten stromaufwärts 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 denselben allosterischen Modulator (Ca²⁺/CaM) aktiviert wird, sind nicht vollständig verstanden, aber die CaM-Kinase-Kaskade ist nicht das einzige Beispiel für ein solches System. Ein möglicher Vorteil dieser Anordnung ist der dynamische Korrektureffekt. Auf diese Weise stellt der diffusionslimitierte Schritt der Kopplungsreaktion sicher, dass nachgeschaltete Enzyme nicht vollständig aktiviert werden, es sei denn, die Dauer des Ca²⁺-Signals ist lang genug, sodass beide mit Ca²⁺/CaM kombiniert werden können und sich dann gegenseitig finden. Es wäre sinnvoll zu untersuchen, wie die CaM-Kinase-Kaskade von Enzymen Gen-Transkriptionsereignisse reguliert, die langfristige biologische Veränderungen verursachen können, die nur durch fehlervermeidende Mechanismen eingeleitet werden können.

Isoformen von CaMKK

CaMKK besitzt 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 liegen alle als Monomere in der Zelle vor. CaMKK wird am stärksten im Gehirngewebe exprimiert, aber Alpha-Isoformen werden auch im Thymus und in der Milz exprimiert. In der Zelle befindet sich CaMKK im Zytoplasma und Zellkern, bereit, 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 ähneln anderen CaM-Kinasen, mit katalytischen, selbstinhibitorischen und CaM-Bindungsdomänen, und ihre Strukturen erstrecken sich vom N-Terminus bis zum C-Terminus. Obwohl die Kristallstruktur von CaMKK nicht gelöst wurde, könnte sie der anderer CaM-Kinasen sehr ähnlich sein, die sehr ähnliche Eigenschaften wie PKA aufweisen. Wie alle CaM-abhängigen Kinasen hält die selbstinhibitorische Domäne von CaMKK diese in einem inaktiven Zustand, indem sie mit der katalytischen Domäne interagiert und so die Kinaseaktivität verhindert. Die Bindung von Ca²⁺/CaM mildert diese Hemmung, indem sie die selbstinhibitorische Domäne verdrängt und eine wirksame katalytische Stelle freilegt. Dies führt zur Aktivierung von CaMKK und anschließender Phosphorylierung seiner nachgeschalteten Substrate CaMKI und CaMKIV, ein Ereignis, das notwendig, aber nicht ausreichend für seine Aktivierung ist.

CaMKI-Kinasen

CaMKI ist eines von zwei nachgeschalteten Zielen in der CaM-Kinase-Kaskade, daher erfordert seine Aktivierung 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, die die α-, β- und γ-Subtypen kodieren, und sie ist in den meisten Säugetierzellen weit verbreitet. CaMKI ist ein zytoplasmatisches Protein, und über das Ausmaß seiner Proteinsubstrate ist wenig bekannt, vermutlich hat es mehrere Funktionen.

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

Die Mitglieder der CaM-Kinase-Familie werden alle als Ser/Thr-Kinasen klassifiziert, und ihre Substrat-P-Stellen (Zielstellen für die 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 für andere Modifikationen (d. h. Phosphorylierung) andere Modifikatoren benötigen, um die vollständige Aktivierung zu erreichen. Diese regulatorischen Unterschiede ermöglichen es relativ kleinen Protein-Familien, eine so hervorragende Kontrolle über viele verschiedene zelluläre Funktionen auszuüben. Die Gesamtdomäne der CaM-Kinase ist der Struktur von PKA sehr ähnlich, wobei eine davon eine bilobale katalytische Domäne ist, gefolgt von einer Selbstinhibitionsdomäne und einer CaM-Bindungsdomäne. Die Selbstunterdrückungsdomäne und die CaM-Bindungsdomäne überlappen sich leicht, und die Ca²⁺/CaM-Bindung reguliert die Funktion der Selbstunterdrückungsdomäne. Bei basalen Ca²⁺-Spiegeln bleiben CaM-Kinasen durch einen autoinhibitorischen Mechanismus inaktiv, der regulatorische Domänen stromabwärts der katalytischen Domäne umfasst. Aktuelle Daten deuten darauf hin, dass CaM-Kinasen beide Strategien anwenden, manchmal sogar eine Kombination aus beiden. Unabhängig vom Selbstinhibitionsmechanismus, mit zunehmender intrazellulärer Ca²⁺-Konzentration (entweder durch Öffnen des Rezeptor/Ionenkanals oder durch Freisetzung aus dem intrazellulären Speicher), wird CaM mit vier Ca²⁺-Ionen gesättigt und erfährt eine Konformationsänderung, wodurch die Bindung an eine Zielstelle auf CaM^- ermöglicht wird.

Referenz:

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