Der Zellteilungszyklus 7 (Cdc7) ist eine Serin-Threonin-Kinase, die für die Regulierung des normalen Zellzyklusverlaufs unerlässlich ist. Die Cdc7-Kinase ist während der Evolution hoch konserviert, und die biologische Rolle der Cdc7-Kinase beim Menschen wurde durch das Studium niedrigerer Eukaryoten, insbesondere Hefen, verstanden. Zwei wichtige regulatorische Proteine, Dbf4 und Drf1, binden und regulieren die Kinaseaktivität von menschlichem Cdc7; letzteres phosphoryliert mehrere Stellen an Mcm2 (Minichromosomen-Wartungsprotein 2), das als eine der sechs Untereinheiten des Enzyms für das replikative DNA-Entwinden, das für die Genomduplikation erforderlich ist, fungiert. Durch die Regulierung der DNA-Synthese und der DNA-Schadensantwort, zwei Schlüsselfunktionen für das Überleben von Tumorzellen, ist Cdc7 zu einem attraktiven Ziel für die pharmakologische Hemmung geworden.

Rolle bei DNA-Schäden und DNA-Replikationsstress

Die ordnungsgemäße Behandlung von gestoppten oder beschädigten Replikationsgabeln ist entscheidend für die Zellviabilität. Zellen mit Defekten in der Checkpoint-Regulierung erlauben es, dass DNA-Schäden durch den Zellzyklus in die Mitose gelangen, was zu mitotischer Katastrophe und Zelltod führt. Checkpoint-Antworten treten an Schlüsselpunkten des Zellzyklus auf und bestehen aus Mediatorproteinen, die Checkpoint-Kinasen aktivieren, sowie Effektorenproteinen, die die Checkpoint-Effekte ausführen. Die Cdc7-Kinase ist an zwei Phasen der Checkpoint-Antwort beteiligt. Cdc7 interagiert mit und phosphoryliert Claspin, das für die Aktivierung des ATR–Chk1-Checkpoints erforderlich ist. In einem Hefe-Modell hängt die Phosphorylierung von Mrc1 (dem Äquivalent von Claspin in Hefe) von dem Cdc7-Hefe-Homolog Hsk1 ab, der für die Aktivierung der Hefe-Checkpoint-Kinase Cds1 erforderlich ist. In anderen Hefe-Modellen spielt Cdc7 eine Rolle bei der kontinuierlichen Aktivierung von Rad53-Checkpoints als Antwort auf Hydroxyharnstoff. In Xenopus-Eizell-Extrakten wird Cdc7 durch das DNA-schädigende Mittel Etoposid inaktiviert, während die Antwort auf dasselbe Mittel in menschlichen Modellen herunterreguliert ist. Daher spielt Cdc7 in nicht-klinischen Modellen eine wichtige Rolle bei der Vermittlung und Beeinflussung der Checkpoint-Antwort. Es ist jedoch unklar, ob diese Funktionen von Cdc7 in menschlichen Modellen gleichermaßen wichtig sind. Tatsächlich wurde gezeigt, dass die Blockade von Replikationsgabeln in menschlichen Zellen die Aktivität von Cdc7 nicht verändert. Es ist jedoch klar, 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 keimender Hefe bleiben die Cdc7-Spiegel während des gesamten Zellzyklus konstant, und die Regulierung der Kinaseaktivität erfolgt hauptsächlich durch die Bindung anderer Proteine, die während des Zellzyklus Spitzen und Täler erreichen. Das erste dieser Proteinregulatoren wurde während der Forschung zur Cdc7-Kinase in keimender Hefe entdeckt, als das DBF4-Gen bei der Untersuchung von arretierten Mutanten in Form von Hanteln (was auf einen Defekt bei der Initiation der DNA-Synthese hinweist) entdeckt wurde. Das transkribierte Protein Dbf4 (dumbbell-forming factor 4) bindet und aktiviert Cdc7 und wird durch posttranskriptionelle und posttranslationale Modifikationen reguliert. Die Dbf4-Spiegel beginnen während G1 zu steigen, was teilweise erklärt, warum die Cdc7-Kinaseaktivität an der G1/S-Grenze liegt.

Ähnlichkeiten zwischen den Cdks und der Cdc7-Kinase

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

Referenz:

1. Swords R; et al. Cdc7-Kinase – Ein neues Ziel für die Arzneimittelentwicklung. European Journal of Cancer, 2010, 46(1):0-40.