Chk1 (Checkpoint-Kinase 1, Chk1) ist ein Mitglied der Serin/Threonin-Proteinkinase-Familie und ein zentrales Protein des Zellzyklus-Checkpoints in der DNA-Schadensantwort (DNA Damage Response, DDR). Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die Chk1-Proteinkinase die Proliferation von Tumorzellen fördert. Ein Mangel an CHK1-Proteinkinase kann Tumorzellen gegenüber Strahlen- oder Chemotherapie sensibilisieren, und ihre Inhibitoren zeigen in Kombination mit anderen molekular zielgerichteten Arzneimitteln einen „synthetisch letalen“ Effekt. Daher könnte Chk1 als neues Target für zukünftige Tumortherapien dienen.

Abbildung 1. Proteinstruktur von Chk1.

Funktionen

Checkpoint-Kinasen (Chks) sind Proteinkinasen, die an der Zellzykluskontrolle beteiligt sind. Es wurden zwei Subtypen von Checkpoint-Kinasen identifiziert: Chk1 und Chk2. Chk1 ist ein wichtiger Bestandteil des Genomüberwachungswegs und ein zentraler Regulator von Zellzyklus und Zellüberleben. Chk1 ist erforderlich, um DNA-Schadens-Checkpoints zu initiieren, und es wurde kürzlich gezeigt, dass Chk1 auch im normalen (unbeeinträchtigten) Zellzyklus eine Rolle spielt. Chk1 beeinflusst alle Phasen des Zellzyklus, einschließlich der S‑Phase, des G2/M-Übergangs und der M‑Phase. Neben der Vermittlung von Zellzyklus-Checkpoints unterstützt Chk1 auch DNA-Reparaturprozesse, die Gen-Transkription, die embryonale Entwicklung sowie die zelluläre Reaktion auf HIV-Infektionen und somatische Stressantworten.

Struktur der Chk1-Proteinkinase

Das humane Chk1-Gen liegt auf Chromosom 11q24 und kodiert eine Proteinkinase mit 476 Aminosäuren und einem Molekulargewicht von 54 kD. Es ist evolutionär hochkonserviert und in eukaryotischen Zellen weit verbreitet. Ursprünglich wurde es in Spalthefe entdeckt. Es umfasst vier Domänen: eine N‑terminale Kinase-Domäne, eine variable Linker-Domäne, eine SQ/TQ-Regulationsdomäne und eine C‑terminale inhibitorische Domäne. Die Chk1-Proteinkinase ist ein wesentlicher Regulator von Zellzyklus, Zellüberleben und 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 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 hochgeordneter und kontinuierlicher Phasen, die letztlich zur Zellteilung und Proliferation führen. Ein wesentliches Merkmal ist die Phasensequenz, d. h. der Zellzyklus beginnt und tritt erst dann in die nächste Phase ein, wenn die vorherige Phase abgeschlossen ist. Dieses Merkmal wird durch den Zellzyklus-Regulationsmechanismus überwacht, dessen Kernkomponente die cyclinabhängigen Proteinkinasen (cyclin-dependent kinases, CDKs) sind. CDKs steuern den Zellzyklus über die spezifische bzw. phasenabhängige Expression, Akkumulation und den Abbau von Cyclinen. CDKs und Cycline bilden zusammen einen mitosefördernden Faktor (mitosis promoting factor, MPF), der die Initiierung und den Ablauf verschiedener Schritte im Zellzyklus reguliert. CDKs sind die katalytischen Untereinheiten des MPF, Cycline die regulatorischen Untereinheiten. Phosphatasen der Cdc25-Familie können CDK1 dephosphorylieren und aktivieren und dadurch den Zellzyklus fördern; die Wee1-Proteinkinase kann CDK1 phosphorylieren und dessen Aktivität hemmen, sodass der Zellzyklus in der G2‑Phase arretiert wird. PLK1 (Polo-like kinase 1, PLK1) ist eine mitotische Kinase, die an der Zentrosomenreifung, Spindelbildung und Zytokinese beteiligt ist; sie kann Wee1 phosphorylieren und dessen Abbau fördern, was zur Aktivierung von CDK1 und zum Eintritt in die Mitose führt.

Chk1-Proteinkinase-Inhibitoren

Chk1-Proteinkinase-Inhibitoren (Abbildung 2) umfassen ATP-kompetitive und nicht ATP-kompetitive Inhibitoren. Erstere hemmen die Kinaseaktivität durch gezielte Bindung an die ATP-Bindetaschen-Hinge-Region der Chk1-Proteinkinase, letztere binden an eine allosterische Bindungsstelle der Chk1-Proteinkinase. Chk1-Proteinkinase-Inhibitoren werden anhand ihrer chemischen Struktur in sieben Kategorien eingeteilt, darunter Pyrrolocarbazolone, Indole, Quinolinone, Indenopyrazole, Harnstoffe, Schwefelverbindungen sowie einige weitere Typen.

Schlussfolgerungen

Die Chk1-Proteinkinase spielt eine entscheidende Rolle bei der Zellzyklusregulation 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 ein Auslöser für die Aktivierung des G2-Checkpoints. Es wurden bedeutende Fortschritte hinsichtlich des Potenzials der Chk1-Proteinkinase als Target für die Krebstherapie erzielt.

Referenz:

1. Sanchez Y; et al. Conservation of the Chk1 checkpoint pathway in mammals: linkage of DNA damage to Cdk regulation through Cdc25. Science. 1997, 277 (5331): 1497–501.