Cyclin-abhängige Kinase ist ein Enzym, das beim Menschen vom CDK4-Gen kodiert wird. CDK4 ist ein Mitglied der Familie der cyclin-abhängigen Kinasen, die eine hohe Ähnlichkeit zu den Genprodukten von Saccharomyces cerevisiae cdc28 und Schizosaccharomyces cerevisiae cdc2 aufweist. Es ist die katalytische Untereinheit des Proteinkinase-Komplexes und ist wichtig für die 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-Gens (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 des G1/S-Übergangs regulieren. Die Phosphorylierung von RB1 dissoziiert den Transkriptionsfaktor E2F vom RB/E2F-Komplex und transkribiert nachfolgende E2F-Zielgene, die für das Fortschreiten durch die G1-Phase verantwortlich sind. Im frühen G1 ist RB1 hypophosphoryliert. Der Cyclin D-CDK4-Komplex ist ein wichtiger Integrator verschiedener mitotischer und anti-mitotischer Signale. SMAD3 wird ebenfalls zellzyklusabhängig phosphoryliert und hemmt seine transkriptionelle Aktivität. Die ternäre Komponente, Cyclin D/CDK4/CDKN1B, ist für den Nukleustransport und die Aktivität des Cyclin D-CDK4-Komplexes erforderlich.

Abbildung 1. Proteinstruktur von CDK4.

CDK4-Signalweg

Der Säugetierzellzyklus wird durch zwei Hauptklassen von Molekülen reguliert – Cyclinregulation und die katalytische CDK-Bildung aktiver Heterodimere, was zur Phosphorylierung von Zielproteinen führt. CDK4 und sein enger 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), wodurch seine Fähigkeit, die Aktivität der RNA-Polymerase I und III sowie die Genexpression zu hemmen, verringert wird (Abbildung 3). Hypophosphoryliertes RB1 reguliert die Genexpression, indem es die Funktion der E2F-Transkriptionsfaktorfamilie hemmt und Histondeacetylase an den Promotor des gewünschten Gens in der S-Phase rekrutiert. Diese hemmenden Effekte von phosphoryliertem RB1 führen zur Regulation der Ribosomenbiogenese, was die Proteinsynthese und Transkriptionsfaktoren beeinflusst, die nachfolgende Zellzyklusprozesse, Nukleotidbiosynthese, DNA-Replikation, mitotische Prozesse und DNA-Schadensreparatur koordinieren. Daher ist die durch CDK4/6 vermittelte RB1-Inaktivierung für das Fortschreiten des Zellzyklus unerlässlich. Dieser Prozess wird negativ durch das Tumorsuppressorgen p16INK4A reguliert, das speziell die Assemblierung und Aktivierung des Cyclin D–CDK4/6-Komplexes hemmt. Eine weitere Kontrolle dieses Signalwegs erfolgt durch eine negative Rückkopplungsschleife, bei der die CDK4/6-Inaktivierung von RB1 die hemmende Wirkung des durch RB1 vermittelten p16INK4A verringert, was zu einem Anstieg von p16INK4A und anschließend zu einer Abnahme der CDK4/6-Aktivität führt. Diese negative Rückkopplungsschleife spielt somit eine natürliche Bremsfunktion bei der Aktivierung des Signalwegs. In HPV-infizierten Zellen ist aufgrund des Fehlens von RB1 auch die p16INK4A-Expression erhöht, wobei das E7-Protein den Abbau von RB1 verursacht, und diese Expression ist auch in Zellen vorhanden, die genetisch RB1 besitzen. Diese Daten bestätigen, dass eine regulatorische Rückkopplung von RB1 zu p16INK4A sowohl unter physiologischen als auch unter pathologischen Bedingungen existiert. In diesen Fällen geht 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 das Fortschreiten des Zellzyklus ermöglicht. Onkogene Signaltransduktion, DNA-Schäden und erhöhte p16INK4A-Expression nach physiologischer Alterung hemmen die Zellproliferation. Diese drei Prozesse lösen auch die Zellseneszenz aus, was darauf hindeutet, dass der durch p16INK4A vermittelte Zellzyklusarrest eine notwendige Voraussetzung für die Induktion der Alterung sein könnte.

Referenz:

1. Karen E; et al. Der Zellzyklus-Regulator CDK4: Ein aufkommendes therapeutisches Ziel bei Melanom. Clinical Cancer Research. 2013, 19(19):5320-5328.