Cell Division Cycle 7 (Cdc7) ist eine Serin/Threonin-Kinase, die für die Regulation des normalen Fortschreitens des Zellzyklus essenziell ist. Die Cdc7-Kinase ist im Verlauf der Evolution hochkonserviert, und die biologische Rolle der Cdc7-Kinase beim Menschen wurde durch Untersuchungen an niederen Eukaryoten, insbesondere Hefe, aufgeklärt. Zwei wichtige regulatorische Proteine, Dbf4 und Drf1, binden an die humane Cdc7 und regulieren deren Kinaseaktivität; Cdc7 phosphoryliert mehrere Stellen auf Mcm2 (Minichromosome Maintenance Protein 2), einer Untereinheit des replikativen DNA-Helikase-Komplexes, der für die Genomduplikation erforderlich ist. Durch die Regulation der DNA-Synthese und der DNA-Schadensantwort – zwei Schlüsselfunktionen für das Überleben von Tumorzellen – ist Cdc7 zu einem attraktiven Ziel für eine pharmakologische Inhibition geworden.

Rolle bei DNA-Schäden und Replikationsstress

Die sachgerechte Bewältigung gestoppter oder geschädigter Replikationsgabeln ist für die Zellviabilität entscheidend. Zellen mit Defekten in der Checkpoint-Regulation lassen DNA-Schäden im Zellzyklus bis in die Mitose gelangen, was zu mitotischer Katastrophe und Zelltod führt. Checkpoint-Antworten treten an zentralen Punkten des Zellzyklus auf und umfassen Mediatorproteine, die Checkpoint-Kinasen aktivieren, sowie Effektorproteine, die die Checkpoint-Effekte ausführen. Die Cdc7-Kinase wurde mit zwei Phasen der Checkpoint-Antwort in Verbindung gebracht. Cdc7 interagiert mit Claspin und phosphoryliert dieses, das für die Aktivierung des ATR–Chk1-Checkpoints erforderlich ist. In einem Hefemodell hängt die Phosphorylierung von Mrc1 (dem Hefe-Äquivalent von Claspin) vom Cdc7-Hefe-Homolog Hsk1 ab, das für die Aktivierung der Hefe-Checkpoint-Effektorkinase Cds1 erforderlich ist. In weiteren Hefemodellen spielt Cdc7 eine Rolle bei der kontinuierlichen Aktivierung von Rad53-Checkpoints als Antwort auf Hydroxyharnstoff. In Xenopus-Eiextrakten wird Cdc7 durch den DNA-schädigenden Wirkstoff Etoposid inaktiviert, während die Antwort auf denselben Wirkstoff in humanen Modellen herunterreguliert ist. Somit spielt Cdc7 in nichtklinischen Modellen eine wichtige Rolle bei der Vermittlung und Ausprägung der Checkpoint-Antwort. Unklar ist jedoch, ob diese Funktionen von Cdc7 in humanen Modellen in gleichem Maße relevant sind. Tatsächlich wurde gezeigt, dass die Blockade von Replikationsgabeln in humanen Zellen die Aktivität von Cdc7 nicht verändert. Klar ist jedoch, dass der Verlust der Cdc7-Funktion zu einem S‑Phasen-Arrest, DNA-Fragmentierung und Zelltod führen kann, wenn die Checkpoint-Antwort aufgehoben wird.

Regulation der Cdc7-Kinase

In sprossender Hefe bleiben die Cdc7-Spiegel über den gesamten Zellzyklus hinweg konstant, und die Regulation der Kinaseaktivität erfolgt hauptsächlich über die Bindung anderer Proteine, deren Konzentrationen im Zellzyklus ansteigen und abfallen. Der erste dieser Proteinregulatoren wurde im Rahmen der Cdc7-Kinase-Forschung in sprossender Hefe identifiziert, als das Gen DBF4 bei der Suche nach arretierten Mutanten mit Hantelform (Hinweis auf einen Defekt bei der Initiation der DNA-Synthese) entdeckt wurde. Das translatierte Protein Dbf4 (dumbbell-forming factor 4) bindet an Cdc7, aktiviert es und wird durch posttranskriptionelle und posttranslationale Modifikationen reguliert. Die Dbf4-Spiegel beginnen während G1 anzusteigen, was teilweise erklärt, warum die Cdc7-Kinaseaktivität am G1/S-Übergang liegt.

Ähnlichkeiten zwischen den Cdks und der Cdc7-Kinase

Bei der Kontrolle des G1/S-Prozesses wurden drei Cyclin-abhängige Kinasen (Cdks) als Schlüsselregulatoren identifiziert (Cyclin D/Cdk4, Cyclin E/Cdk2 und Cyclin A/Cdk2). Die sequenzielle Aktivierung dieser Kinasen führt zur Phosphorylierung des Retinoblastom-Proteins (pRb) und seiner verwandten Familienmitglieder p107 und p130. In der Folge werden E2F-Transkriptionsfaktoren aktiviert und induzieren die Expression weiterer für die DNA-Synthese erforderlicher Gene, einschließlich Cyclin E. Drei Cdks, insbesondere Cdk2 (ebenfalls eine Serin/Threonin-Kinase), aktivieren zusammen mit Cdc7 den Replikationsinitiationskomplex und initiieren die DNA-Replikation sowie den Gabelbildungsprozess durch Regulation von Mcm2. Kürzlich wurde das mit Cdk2 interagierende Protein CINP als funktionelle Verbindung zwischen Cdk2 und Cdc7 bei der Replikationsinitiierung angesehen und könnte eine Rolle bei der Regulation beider Kinasen in der Mcm2-Aktivierung spielen.

Referenz:

1. Swords R; et al. Cdc7 kinase – A new target for drug development. European Journal of Cancer, 2010, 46(1):0-40.