Chk1 (Checkpoint-Kinase 1, Chk1) ist ein Mitglied der Serin/Threonin-Proteinkinase-Familie und das Kernprotein des Zellzyklus-Checkpoints in der DNA-Schadensantwort (DDR). Viele Studien haben gezeigt, dass die Chk1-Proteinkinase die Funktion hat, die Proliferation von Tumorzellen zu fördern. Das Fehlen der CHK1-Proteinkinase kann Tumorzellen empfindlicher gegenüber Strahlen- oder Chemotherapie machen, und ihre Inhibitoren haben in Kombination mit anderen molekular zielgerichteten Medikamenten einen „synthetisch letalen“ Effekt, sodass Chk1 als neues Ziel für die zukünftige Tumorbehandlung dienen könnte.

Abbildung 1. Proteinstruktur von Chk1.

Funktionen

Checkpoint-Kinasen (Chks) sind Proteinkinasen, die an der Kontrolle des Zellzyklus beteiligt sind. Zwei Subtypen der Checkpoint-Kinase wurden identifiziert: Chk1 und Chk2. Chk1 ist ein wichtiger Bestandteil des genomischen Überwachungssystems und ein Schlüsselfaktor für die Regulation des Zellzyklus und des Zellüberlebens. Chk1 ist erforderlich, um DNA-Schadens-Checkpoints zu initiieren, und es wurde kürzlich gezeigt, dass sie auch eine Rolle im normalen (unbeeinträchtigten) Zellzyklus spielt. Chk1 beeinflusst alle Phasen des Zellzyklus, einschließlich S-Phase, G2/M-Übergang und M-Phase. Neben der Vermittlung von Zellzyklus-Checkpoints unterstützt Chk1 auch DNA-Reparaturprozesse, Gen-Transkription, Embryonalentwicklung sowie Zell-zu-HIV-Infektion und somatische Reaktion.

Struktur der Chk1-Proteinkinase

Das menschliche Chk1-Gen befindet sich auf Chromosom 11q24 und kodiert eine Proteinkinase mit 476 Aminosäuren und einem Molekulargewicht von 54 kD. Sie ist evolutionär hoch konserviert und kommt weit verbreitet in eukaryotischen Zellen vor. Ursprünglich wurde sie in Spalthefe entdeckt. Sie umfasst vier Domänen: N-terminale Kinase-Domäne, variable Linker-Domäne, SQ/TQ-Regulationsdomäne und C-terminale Inhibitionsdomäne. Die Chk1-Proteinkinase ist ein Hauptregulator des Zellzyklus, des Zellüberlebens und der Embryogenese. Im normalen Zellzyklus reguliert die Chk1-Proteinkinase die DNA-Replikation in der S-Phase, den Eintritt in den G2/M-Übergang und die Mitose sowie die Spindel-Checkpoints in der M-Phase. Darüber hinaus reguliert die Chk1-Proteinkinase auch die Stress- und Hitzeschockantwort von Zellen auf HIV-Infektion, Sauerstoffexposition, Proteinfehlfaltung usw.

Chk1-Proteinkinase und Zellzyklus

Der Zellzyklus besteht aus einer Reihe von streng geordneten und kontinuierlichen Phasen, die letztlich zur Teilung und Proliferation der Zellen führen. Ein wesentliches Merkmal ist die Phasenabfolge, das heißt, der Zellzyklus beginnt und tritt erst nach Abschluss der vorherigen Phase in die nächste Phase ein. Dieses Merkmal wird durch den Regulationsmechanismus des Zellzyklus überwacht, dessen Kernelement die zellzyklusabhängige Proteinkinase (Cyclin-abhängige Kinase, CDKs) ist. CDKs steuern den Zellzyklusprozess durch die spezifische oder phasische Expression, Akkumulation und den Abbau von Cyclinen. CDKs und Cycline verbinden sich zu einem Mitose-fördernden Faktor (MPF), der den Beginn und den Fortschritt verschiedener Schritte im Zellzyklus reguliert. CDKs sind die katalytischen Untereinheiten des MPF, und Cycline sind die regulatorischen Untereinheiten des MPF. Cdc25-Familienphosphatasen können CDK1 dephosphorylieren und aktivieren und so den Zellzyklus fördern; Wee1-Proteinkinase kann CDK1 phosphorylieren und dessen Aktivität hemmen, sodass der Zellzyklus in der G2-Phase blockiert wird; PLK1 (Polo-like Kinase 1, PLK1) ist eine mitotische Kinase, die an der Zentrosomenreifung, Spindelbildung und Zytoplasmatrennung beteiligt ist. Sie kann Wee1 phosphorylieren und abbauen, was zur Aktivierung von CDK1 und zum Eintritt in die Mitose führt.

Chk1-Proteinkinase-Inhibitor

Chk1-Proteinkinase-Inhibitoren (Abbildung 2) umfassen ATP-kompetitive Inhibitoren und nicht-ATP-kompetitive Inhibitoren. Erstere hemmen die Kinaseaktivität durch gezielte Bindung an die ATP-Bindungsstelle der Chk1-Proteinkinase, letztere wirken an der allosterischen Bindungsstelle der Chk1-Proteinkinase. Chk1-Proteinkinase-Inhibitoren werden basierend auf ihrer chemischen Struktur in sieben Kategorien unterteilt, darunter Pyrrolocarbazolonen, Indole, Chinolinone, Indenopyrazole, Harnstoffe, Schwefelverbindungen und einige andere Typen.

Fazit

Die Chk1-Proteinkinase spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulation des Zellzyklus und der DNA-Schadensantwort. Im normalen Zellzyklus reguliert die Chk1-Proteinkinase den Eintritt in den G1/S-Übergang, die S-Phase und die Mitose. In der DDR ist die Chk1-Proteinkinase ein wichtiger Signalsensor und Auslöser für die Aktivierung des G2-Checkpoints. Bedeutende Fortschritte wurden hinsichtlich des Potenzials der Chk1-Proteinkinase als Ziel für die Krebsbehandlung erzielt.

Referenz:

1. Sanchez Y; et al. Erhaltung des Chk1-Checkpoint-Wegs bei Säugetieren: Verbindung von DNA-Schäden mit der Cdk-Regulation über Cdc25. Science. 1997, 277 (5331): 1497–501.