Die Casein-Kinase-1-(CK1)-Familie der Serin/Threonin-Proteinkinasen ist an der Regulation mehrerer physiologischer und pathologischer Prozesse in Gewebezellen beteiligt und koordiniert den geordneten Ablauf des Lebens durch verschiedene Signaltransduktionswege. Hedgehog (Hh), Hippo und Wnt/β-Catenin sind die wichtigsten Signalwege, über die CK1 das Zellwachstum und die Zellproliferation, die Embryonalentwicklung, den Energiestoffwechsel, den zirkadianen Rhythmus und andere Lebensvorgänge reguliert. Studien haben gezeigt, dass CK1-Mitglieder eine wichtige Rolle bei der Regulation von Upstream-Signalen der Wnt-, Hh- und anderer Signalwege spielen und insbesondere eine bedeutende Rolle bei der Regulation der Enzymaktivität in Signalwegen einnehmen. CK1-Familienmitglieder sind in vielen Zellen stark exprimiert. Gleichzeitig regulieren sie die verschiedenen Signalwege, um die unterschiedlichen Lebensvorgänge des Körpers in geordneter Weise ablaufen zu lassen.

Abbildung 1. Proteinstruktur von CK1.

Casein-Kinase-1-Familie

Serin-Threonin-Proteinkinasen der CK1-Familie wurden in Eukaryoten von Hefen bis zum Menschen gefunden. Säugetiere besitzen sieben Familienmitglieder (manchmal auch Isoformen genannt, aber von verschiedenen Genen codiert): α, β1, γ1, γ2, γ3, δ und ε. Isoformen mit einer Größe von 22 bis 55 kDa wurden in Membran, Zellkern und Zytoplasma von Eukaryoten sowie in mitotischen Spindeln von Säugetierzellen identifiziert. Diese Familienmitglieder weisen die höchste Homologie in ihrer Kinasedomäne auf (53 % – 98 % identisch) und unterscheiden sich von den meisten anderen Proteinkinasen durch das Vorkommen der Sequenz S-I-N anstelle von A-P-E in der Kinasedomäne VIII. Dieses Familienmitglied scheint in vitro eine ähnliche Substratspezifität zu besitzen, und die Substratauswahl wird in vivo vermutlich durch subzelluläre Lokalisation und Andockstellen in spezifischen Substraten reguliert. Eine gemeinsame Phosphorylierungsstelle ist S/Tp-XXS/T, wobei S/Tp für Phosphoserin oder Phosphothreonin steht, X für eine beliebige Aminosäure und die unterstrichenen Reste die Zielstelle darstellen. Daher muss diese CKI-Konsensusstelle durch eine andere Kinase ausgelöst werden. CKI phosphoryliert auch eine verwandte, nicht primierte Stelle, die idealerweise einen sauren Aminosäure-Cluster am N-Terminus des Ziel-S/T enthält, einschließlich saurer Reste an n-3 und einer hydrophoben Region am C-Terminus des Ziel-S/T. Ein einzelner saurer Rest an Position n-3 reicht für die CKI-Phosphorylierung nicht aus. Im Gegensatz dazu benötigt CKI bei mehreren wichtigen Zielproteinen, NF-AT und β-Catenin, keine n-3-Initiierung, sondern ist die erste Serin in der Phosphorylierungssequenz SLS, gefolgt von einem Cluster saurer Reste, wenn auch mit geringer Effizienz an der optimalen Position.

Wnt/β-Catenin-Signalweg

Die Bedeutung von CK1 im Wnt/β-Catenin-Signalweg wurde erstmals Ende der 1990er Jahre berichtet. CK1e wurde isoliert und kloniert, um das Gen in Xenopus zu exprimieren. Xenopus wurde dann zur Differenzierung in sekundäre embryonale Achsen verwendet. Es wurde bestätigt, dass CK1 eine positive regulatorische Rolle im Signalweg spielt. Später wurde entdeckt, dass CK1-Mitglieder aktiv an der Regulation der Wnt/β-Catenin-Signalwege beteiligt sind und gleichzeitig festgestellt, dass sie möglicherweise auch eine negative regulatorische Rolle in den Signalwegen einnehmen. Die CK1-vermittelte Phosphorylierung erfolgt in mehreren Schritten des Wnt/β-Catenin-Signalwegs, und verschiedene CK1-Untereinheiten üben unterschiedliche regulatorische Effekte auf die Wnt-Signalgebung aus. In Überexpressions-Experimenten wurde festgestellt, dass CK1-Untereinheiten wie CK1a, CKd und CKe an endogene Axin-Proteinkomplexe in Säugetierzellen binden und Teil des β-Catenin-"Destruktionskomplexes" bilden. Dabei ist CK1a hauptsächlich dafür verantwortlich, die Phosphorylierung und den Abbau von β-Catenin durch die Kombination von Rest 228231 und Axin sowie im "Destruktionskomplex" einzuleiten. In Abwesenheit von Wnt kann CK1 durch Phosphorylierung der β-Catenin-Genstelle S45 und der GSK3-Genstelle S33 eine kontinuierliche Phosphorylierung der β-Catenin-Genstellen T41 und S37 bewirken. In CK1-dysfunktionalen Säugetierzellen, Fruchtfliegen, Mäusen und CK1a-Knockout-Mäusen wurde gezeigt, dass CK1a den Wnt-Signalweg durch Phosphorylierung von β-Catenin negativ reguliert.

Abbildung 2. Proteinstruktur von Wnt8.

Klassischer Hh-Signalweg

Der Hh-Signalrezeptorkomplex besteht hauptsächlich aus 12 Transmembranrezeptoren Patched (Ptc) und Hh, und das 7-Transmembranprotein Smoothened (Smo) ist ein wesentliches Signaltransduktionsmolekül im Hh-Signalweg. Bei Abwesenheit des Hh-Signals kann Ptch1 die Aktivität des G-Protein-gekoppelten Rezeptors (GPCR) und des Signaltransduktionsmoleküls Smo durch einen bestimmten Mechanismus hemmen. Wenn das Hh-Signal mit dem Rezeptor PtcIhog kombiniert wird, kann es die Hemmung von Ptc auf Smo verringern, die Aggregation der Hülle fördern und das zytoplasmatische C-Terminus von Smo freilegen. Dadurch werden verschiedene Kinasen wie CK1, Proteinkinase A (PKA) und GPCR-Kinase 2 an der Phosphorylierung und Aktivierung von Smo beteiligt, und gleichzeitig wird die Smo-vermittelte Aktivierung des Transkriptionsfaktors (Ci)/Gli-Zinkfingerstruktur gefördert, wodurch die Expression von Hh-Zielgenen induziert wird. Die Aktivität des Smo-Transduktionsmoleküls steht in engem Zusammenhang mit seinem Phosphorylierungsgrad. Unter den bisher identifizierten Kinasen spielen CK1 und PKA, insbesondere CK1, eine wichtige Rolle bei der Phosphorylierung der C-terminalen Serinreste der Smo-Peptidkette.

Fazit

CK1 ist an der Regulation mehrerer Aktivitäten des lebenden Organismus durch verschiedene Signalwege beteiligt und sorgt zusammen mit einer Vielzahl von Signalen für die geordnete Bewegung des Körpers. Die Forschung zu CK1 wird derzeit weiter vertieft. Neben den oben beschriebenen Signalwegen kann CK1 auch mit dem Protein P469674 interagieren, um ein Upstream-/Downstream-Proteinregulationsnetzwerk zu bilden, das den Stoffwechsel, den zirkadianen Rhythmus und das Wachstum des Körpers reguliert. Zu den beteiligten Proteinen gehören voraussichtlich DVL, β-Catenin-Gen-Sequenz, APC, β-TrCP-Gen, PER (Pereod), CRYY (Crytochrome) usw. Zusammenfassend spielen Mitglieder der hochkonservierten CK1-Familie wichtige regulatorische Rollen in vielen Zellen, einschließlich DNA-Proliferation, -Verarbeitung und -Reparatur, Zytoskelettdynamik, Vesikeltransport, Apoptose und Zelldifferenzierung. Die regulatorische Wirkung von CK1 auf verschiedene Signalwege und deren Mechanismus müssen weiter erforscht werden, um neue Ansätze für die Behandlung verschiedener Krankheiten zu ermöglichen.

Referenz

1. Bingham EW; et al. Caseinkinase aus dem Golgi-Apparat der laktierenden Milchdrüse. The Journal of Biological Chemistry. 1974, 249 (11): 3647–51.