Die cyclinabhängige Kinase ist ein Enzym, das beim Menschen durch das CDK4-Gen kodiert wird. CDK4 ist ein Mitglied der Familie der cyclinabhängigen Kinasen und weist eine hohe Sequenzhomologie zu den Genprodukten cdc28 aus Saccharomyces cerevisiae und cdc2 aus Schizosaccharomyces cerevisiae auf. Es handelt sich um die katalytische Untereinheit des Proteinkinase-Komplexes und ist für die G1-Phase des Zellzyklus von Bedeutung. Die Kinaseaktivität ist auf die G1/S-Phase beschränkt und wird durch die regulatorische Untereinheit Cyclin D sowie den CDK-Inhibitor p16INK4a kontrolliert. Es konnte gezeigt werden, 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 inhibieren und den Zellzyklus während des G1/S-Übergangs regulieren. Die Phosphorylierung von RB1 führt zur Dissoziation des Transkriptionsfaktors E2F aus dem RB/E2F-Komplex und zur Transkription nachgelagerter E2F-Zielgene, die für das Fortschreiten durch die G1-Phase erforderlich sind. In der frühen G1-Phase liegt RB1 hypophosphoryliert vor. Der Cyclin-D–CDK4-Komplex ist ein wesentlicher Integrator verschiedener mitotischer und antimitotischer Signale. SMAD3 wird ebenfalls zellzyklusabhängig phosphoryliert und dadurch in seiner transkriptionellen Aktivität gehemmt. Die ternäre Komplexkomponente Cyclin D/CDK4/CDKN1B ist für die nukleäre Translokation und die Aktivität des Cyclin-D–CDK4-Komplexes erforderlich.

Abbildung 1. Proteinstruktur von CDK4.

CDK4-Signalweg

Der Zellzyklus von Säugetieren wird durch zwei zentrale Molekülklassen reguliert: die Cyclinregulation und die katalytische CDK-abhängige Bildung aktiver Heterodimere, die zur Phosphorylierung von Zielproteinen führt. CDK4 und sein naher Homolog CDK6 sind Serin/Threonin-Kinasen, die mit Cyclinen des Typs D Heterodimere bilden und die Hauptregulatoren des G1/S-Übergangs im Zellzyklus darstellen (Abbildung 2).

Zusammen mit dem Cyclin-E–CDK2-Komplex phosphoryliert der Cyclin-D–CDK4/6-Komplex das Retinoblastomprotein (RB1) und reduziert dadurch dessen Fähigkeit, die Aktivität der RNA-Polymerasen I und III sowie die Genexpression zu inhibieren (Abbildung 3). Hypophosphoryliertes RB1 reguliert die Genexpression, indem es die Funktion der E2F-Transkriptionsfaktorfamilie hemmt und Histondeacetylasen an den Promotor des jeweiligen Zielgens in der S-Phase rekrutiert. Diese inhibitorischen Effekte von phosphoryliertem RB1 führen zur Regulation der Ribosomenbiogenese, was die Proteinsynthese und Transkriptionsfaktoren beeinflusst, die nachfolgende Zellzyklusprozesse, die Nukleotidbiosynthese, die DNA-Replikation, mitotische Prozesse sowie die Reparatur von DNA-Schäden koordinieren. Daher ist die CDK4/6-vermittelte Inaktivierung von RB1 essenziell für die Zellzyklusprogression. Dieser Prozess wird negativ durch das Tumorsuppressorgen p16INK4A reguliert, das spezifisch die Assemblierung und Aktivierung des Cyclin-D–CDK4/6-Komplexes inhibiert. Eine weitere Kontrolle dieses Signalwegs erfolgt über eine negative Rückkopplungsschleife: Die CDK4/6-vermittelte Inaktivierung von RB1 reduziert die inhibitorische Wirkung der RB1-vermittelten p16INK4A-Regulation, was zu einem Anstieg von p16INK4A führt, gefolgt von einer Abnahme der CDK4/6-Aktivität. Diese negative Rückkopplungsschleife wirkt somit als natürlicher Bremsmechanismus bei der Aktivierung des Signalwegs. In HPV-infizierten Zellen ist aufgrund des Fehlens von RB1 die p16INK4A-Expression ebenfalls erhöht; hierbei verursacht das E7-Protein den Abbau von RB1, und diese Expression ist auch in Zellen nachweisbar, die genetisch über RB1 verfügen. Diese Daten bestätigen, dass eine regulatorische Rückkopplung von RB1 auf p16INK4A sowohl unter physiologischen als auch unter pathologischen Bedingungen besteht. In diesen Fällen geht RB1 dauerhaft verloren, und dieser Verlust verhindert, dass die erhöhte p16INK4A-Expression den Zellzyklus inhibiert. In normalen Zellen sind die p16INK4A-Spiegel in der Regel niedrig, wodurch der Zellzyklus fortschreiten kann. Onkogene Signaltransduktion, DNA-Schäden sowie eine erhöhte p16INK4A-Expression infolge physiologischer Alterung hemmen die Zellproliferation. Diese drei Prozesse lösen zudem zelluläre Seneszenz aus, was darauf hindeutet, dass ein p16INK4A-vermittelter Zellzyklusarrest eine notwendige Voraussetzung für die Induktion von Alterungsprozessen 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.