Die Familie der Casein-Kinase 1 (CK1) serin-/threoninspezifischer Proteinkinasen ist an der Regulation zahlreicher physiologischer und pathologischer Prozesse in Gewebezellen beteiligt und koordiniert über verschiedene Signaltransduktionswege den geordneten Ablauf lebenswichtiger Funktionen. Zu den zentralen Signalwegen, über die CK1 Zellwachstum und -proliferation, embryonale Entwicklung, Energiestoffwechsel, zirkadiane Rhythmik und weitere biologische Aktivitäten reguliert, zählen insbesondere die Hedgehog-(Hh)-, Hippo- sowie Wnt/β‑Catenin-Signalwege. Studien zeigen, dass CK1-Familienmitglieder eine wesentliche Rolle bei der Regulation upstream gelegener Signale von Wnt-, Hh- und weiteren Signalwegen spielen; insbesondere sind sie für die Modulation der Enzymaktivität innerhalb dieser Signalwege von Bedeutung. CK1-Familienmitglieder werden in vielen Zelltypen hoch exprimiert und steuern gleichzeitig verschiedene Signalwege, um die vielfältigen Lebensprozesse des Organismus in geordneter Weise aufrechtzuerhalten.

Abbildung 1. Proteinstruktur von CK1.

Casein-Kinase-1-Familie

Serin-/Threonin-Proteinkinasen der CK1-Familie wurden in Eukaryoten von Hefe bis zum Menschen nachgewiesen. Säugetiere besitzen sieben Familienmitglieder (teilweise als Isoformen bezeichnet, jedoch durch unterschiedliche Gene kodiert): 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 Säugerzellen identifiziert. Die höchste Homologie weisen diese Familienmitglieder in ihrer Kinase-Domäne auf (53–98 % Identität) und unterscheiden sich von den meisten anderen Proteinkinasen durch das Vorhandensein der Sequenz S‑I‑N anstelle von A‑P‑E in der Kinase-Domäne VIII. In vitro zeigen diese Familienmitglieder eine ähnliche Substratspezifität; die Substratauswahl wird in vivo vermutlich über subzelluläre Lokalisation sowie über Dockingstellen in spezifischen Substraten reguliert. Eine häufige Phosphorylierungsstelle ist S/Tp‑XXS/T, wobei S/Tp für Phosphoserin oder Phosphothreonin steht, X für eine beliebige Aminosäure und unterstrichene Reste die Zielstelle darstellen. Diese CKI-Konsensusstelle erfordert daher eine Priming-Phosphorylierung durch eine andere Kinase. CKI phosphoryliert zudem eine verwandte, nicht geprimte Stelle, die idealerweise einen Cluster saurer Aminosäuren am N‑Terminus des Ziel‑S/T enthält, einschließlich saurer Reste an Position n‑3, sowie eine hydrophobe Region am C‑Terminus des Ziel‑S/T. Ein einzelner saurer Rest an Position n‑3 ist nicht ausreichend, um eine CKI-Phosphorylierung zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu benötigt CKI bei mehreren wichtigen Zielproteinen, darunter NF‑AT und β‑Catenin, keine n‑3‑Priming-Phosphorylierung, sondern phosphoryliert das erste Serin in der Phosphorylierungssequenz SLS, gefolgt von einem Cluster saurer Reste, allerdings mit geringer Effizienz in der optimalen Position.

Wnt/β‑Catenin-Signalweg

Die Bedeutung von CK1 im Wnt/β‑Catenin-Signalweg wurde erstmals Ende der 1990er Jahre beschrieben. CK1ε wurde isoliert und kloniert, um das Gen in Xenopus zu exprimieren. Anschließend wurde Xenopus zur Induktion sekundärer embryonaler Achsen verwendet. Dadurch wurde bestätigt, dass CK1 in diesem Signalweg eine positive regulatorische Funktion ausübt. Später wurde festgestellt, dass CK1-Familienmitglieder aktiv an der Regulation des Wnt/β‑Catenin-Signalwegs beteiligt sind und zugleich auch eine negative regulatorische Rolle in diesem Signalweg spielen können. CK1-vermittelte Phosphorylierungen erfolgen in mehreren Schritten der Wnt/β‑Catenin-Signaltransduktion, und unterschiedliche CK1-Untereinheiten üben unterschiedliche regulatorische Effekte auf das Wnt-Signaling aus. In Überexpressionsstudien wurde gezeigt, dass CK1-Untereinheiten wie CK1α, CK1δ und CK1ε in Säugerzellen an endogene Axin-Proteinkomplexe binden und Bestandteil des β‑Catenin-„Destruktionskomplexes“ sind. CK1α ist dabei hauptsächlich für die Initiierung der β‑Catenin-Phosphorylierung und -Degradation verantwortlich, indem es über die Kombination der Reste 228231 mit Axin im „Destruktionskomplex“ wirkt. In Abwesenheit von Wnt kann CK1 eine kontinuierliche Phosphorylierung der β‑Catenin-Stellen T41 und S37 bewirken, indem es die β‑Catenin-Stelle S45 sowie die GSK3-Stelle S33 phosphoryliert. In CK1-dysfunktionalen Säugerzellen, in Drosophila, in Mäusen sowie in CK1α-Knockout-Mäusen wurde gezeigt, dass CK1α den Wnt-Signalweg durch Phosphorylierung von β‑Catenin negativ reguliert.

Abbildung 2. Proteinstruktur von Wnt8.

Klassischer Hh-Signalweg

Der Hh-Signalrezeptorkomplex besteht hauptsächlich aus dem 12‑Transmembranrezeptor Patched (Ptc) und Hh; das 7‑Transmembranprotein Smoothened (Smo) ist ein essenzielles Signaltransduktionsmolekül im Hh-Signaling. In Abwesenheit eines Hh-Signals kann Ptch1 über einen Mechanismus die Aktivität des G‑Protein-gekoppelten Rezeptors (GPCR) und des Signaltransduktionsmoleküls Smo inhibieren. Bindet das Hh-Signal an den Rezeptor PtcIhog, kann dies die Hemmung von Smo durch Ptc reduzieren, die Aggregation an der Membran fördern und den zytoplasmatischen C‑Terminus von Smo exponieren. Dadurch werden verschiedene Kinasen wie CK1, Proteinkinase A (PKA) und GPCR‑Kinase 2 in die Phosphorylierung und Aktivierung von Smo einbezogen; zugleich wird die Smo-vermittelte Aktivierung des Transkriptionsfaktors (Ci)/Gli mit Zinkfingerstruktur gefördert, wodurch die Expression von Hh-Zielgenen induziert wird. Die Aktivität des Transduktionsmoleküls Smo ist eng mit seinem Phosphorylierungsgrad verknüpft. Unter den bislang identifizierten Kinasen spielen CK1 und PKA – insbesondere CK1 – eine wichtige Rolle bei der Phosphorylierung der C‑terminalen Serinreste der Smo-Peptidkette.

Schlussfolgerungen

CK1 ist über verschiedene Signalwege an der Regulation multipler biologischer Aktivitäten beteiligt und trägt gemeinsam mit einer Vielzahl von Signalen zur Aufrechterhaltung geordneter Körperfunktionen bei. Die Forschung zu CK1 wird derzeit weiter vertieft. Neben den oben beschriebenen Signalwegen kann CK1 möglicherweise auch mit dem Protein P469674 interagieren, um ein Upstream-/Downstream-Proteinregulationsnetzwerk zu bilden, das Stoffwechsel, zirkadiane Rhythmik und Wachstum des Organismus reguliert. Zu den beteiligten Proteinen werden voraussichtlich DVL, die β‑Catenin-Gensequenz, APC, das β‑TrCP-Gen, PER (Period), CRYY (Cryptochrom) u. a. gehören. Zusammenfassend spielen Mitglieder der hochkonservierten CK1-Familie in vielen Zelltypen wichtige regulatorische Rollen, darunter bei DNA-Proliferation, -Prozessierung und -Reparatur, Zytoskelettdynamik, Vesikeltransport, Apoptose und Zelldifferenzierung. Die regulatorischen Effekte von CK1 auf unterschiedliche Signalwege sowie die zugrunde liegenden Mechanismen müssen weiter untersucht werden, um neue Ansätze für die Behandlung verschiedener Erkrankungen zu ermöglichen.

Literatur

1. Bingham EW; et al. Casein kinase from the Golgi apparatus of lactating mammary gland. The Journal of Biological Chemistry. 1974, 249 (11): 3647–51.