Cyclin-abhängige Kinase ist ein Enzym, das im Menschen durch das CDK4-Gen kodiert wird. CDK4 ist ein Mitglied der Familie der cyclin-abhängigen Kinasen, die den Genprodukten von Saccharomyces cerevisiae cdc28 und Schizosaccharomyces cerevisiae cdc2 sehr ähnlich ist. Es ist die katalytische Untereinheit des Protein-Kinase-Komplexes und spielt eine wichtige Rolle in der G1-Phase des Zellzyklus. Die Kinaseaktivität ist auf die G1-S-Phase beschränkt, die durch die regulatorische Untereinheit D-Typ Cyclin und den CDK-Inhibitor p16INK4a kontrolliert wird. Es wurde gezeigt, dass diese Kinase für die Phosphorylierung des Retinoblastom-Genprodukts (Rb) verantwortlich ist. Die Ser/Thr-Kinase-Komponente des Cyclin D-CDK4 (DC) Komplexes kann Mitglieder der Retinoblastom (RB) Proteinfamilie, einschließlich RB1, phosphorylieren und hemmen und den Zellzyklus während der G1/S-Übergangs regulieren. Die Phosphorylierung von RB1 dissoziiert den Transkriptionsfaktor E2F vom RB/E2F-Komplex und transkribiert nachfolgende E2F-Zielgene, die für den Fortschritt durch die G1-Phase verantwortlich sind. In der frühen G1-Phase ist RB1 hypophosphoryliert. Der Cyclin D-CDK4-Komplex ist ein wichtiger Integrator verschiedener mitotischer und anti-mitotischer Signale. SMAD3 wird ebenfalls in einer zellzyklusabhängigen Weise phosphoryliert und hemmt seine transkriptionelle Aktivität. Die ternäre Komplexkomponente, Cyclin D/CDK4/CDKN1B, ist für die Nukleotranslokation und die Aktivität des Cyclin D-CDK4-Komplexes erforderlich.

Abbildung 1. Proteinstruktur von CDK4.

CDK4-Weg

Der Zellzyklus von Säugetieren wird durch zwei Schlüsselklassen von Molekülen reguliert - Cyclin-Regulation und katalytische CDK-Bildung aktiver Heterodimere, was zur Phosphorylierung von Zielproteinen führt. CDK4 und sein naher Homolog CDK6 sind Serin/Threonin-Kinasen, die Heterodimere mit D-Typ-Cyclinen bilden und die Hauptregulatoren des G1-S-Übergangs im Zellzyklus sind (Abbildung 2).

Zusammen mit dem Cyclin E–CDK2-Komplex phosphoryliert der Cyclin D–CDK4/6-Komplex wiederum das Retinoblastom-Protein (RB1) und verringert damit seine Fähigkeit, die Aktivität der RNA-Polymerase I und III sowie die Genexpression zu hemmen (Abbildung 3). Hypophosphoryliertes RB1 reguliert die Genexpression, indem es die Rolle der E2F-Transkriptionsfaktorfamilie hemmt und Histon-Deacetylase zum Promotor des gewünschten Gens in der S-Phase rekrutiert. Diese hemmenden Effekte von phosphoryliertem RB1 führen zur Regulation der Ribosomenbiogenese, die die Proteinsynthese und Transkriptionsfaktoren beeinflusst, die nachfolgende Zellzyklusprozesse, Nukleotidbiosynthese, DNA-Replikation, mitotische Prozesse und DNA-Schadenreparatur koordinieren. Daher ist die CDK4/6-vermittelte Inaktivierung von RB1 entscheidend für den Fortschritt des Zellzyklus. Dieser Prozess wird negativ durch das Tumorsuppressor-Gen p16INK4A reguliert, das spezifisch die Assemblierung und Aktivierung des Cyclin D–CDK4/6-Komplexes hemmt. Eine weitere Kontrolle dieses Weges erfolgt durch eine negative Rückkopplungsschleife, bei der die Inaktivierung von RB1 durch CDK4/6 den hemmenden Effekt von RB1-vermitteltem p16INK4A verringert, was zu einem Anstieg von p16INK4A führt, gefolgt von einem Rückgang der CDK4/6-Aktivität. Daher spielt diese negative Rückkopplungsschleife effektiv eine natürliche Bremsrolle bei der Aktivierung des Weges. In HPV-infizierten Zellen, aufgrund des Fehlens von RB1, ist die Expression von p16INK4A ebenfalls erhöht, wobei das E7-Protein den Abbau von RB1 verursacht, und diese Expression ist auch in Zellen vorhanden, die genetisch RB1 haben. Diese Daten bestätigen, dass eine regulatorische Rückkopplung von RB1 zu p16INK4A sowohl unter physiologischen als auch pathologischen Bedingungen existiert. In diesen Fällen ist RB1 dauerhaft verloren, und dieser Verlust verhindert, dass die erhöhte p16INK4A-Expression den Zellzyklus hemmt. In normalen Zellen sind die p16INK4A-Spiegel normalerweise niedrig, was es dem Zellzyklus ermöglicht, voranzuschreiten. Onkogene Signaltransduktion, DNA-Schäden und erhöhte p16INK4A-Expression nach physiologischem Altern hemmen die Zellproliferation. Diese drei Prozesse lösen auch die Zellseneszenz aus, was darauf hindeutet, dass die p16INK4A-vermittelte Zellzyklusarrest eine notwendige Bedingung für die Induktion des Alterns sein könnte.

Referenz:

1. Karen E; et al. he Cell-Cycle Regulator CDK4: An Emerging Therapeutic Target in Melanoma. Clinical Cancer Research. 2013, 19(19):5320-5328.