Phosphatidylinositol-3-kinase-verwandte Kinasen (PIKKs) sind eine Familie von Ser/Thr-Proteinkinasen mit Sequenzähnlichkeit zu Phosphatidylinositol-3-Kinasen (PI3Ks). Mitglieder der Phosphatidylinositol-3-Kinase-Familie können nach Aktivierung durch Wachstumsfaktoren und andere Faktoren Phospholipide produzieren. Als sekundärer Botenstoff binden sie und aktivieren verschiedene Zielzellen und bilden eine komplexe Signalkaskade. Sie spielen eine zentrale Rolle in der Chemotaxis, dem Überleben, dem Proteintransport und dem Glukosestoffwechsel. Basierend auf der detaillierten Klassifikation und den strukturellen Eigenschaften der Mitglieder der Phosphatidylinositol-3-Kinase-Familie werden der phosphatidylinositol-3-kinase-abhängige Signalweg und seine verwandten Funktionen vorgestellt.

Abbildung 1. Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat 3-Kinase.

Beispiele für PIKK-Familienkinasen

ATM

ATM Serin/Threonin-Kinase (Symbol ATM) ist eine Serin/Threonin-Proteinkinase, die durch DNA-Doppelstrangbrüche rekrutiert und aktiviert wird. Sie phosphoryliert mehrere Schlüsselproteine, die die Aktivierung von DNA-Schaden-Kontrollpunkten einleiten, was zu einer Zellzyklus-Arrest, DNA-Reparatur oder Apoptose führt. Mehrere dieser Ziele, einschließlich p53, CHK2, BRCA1, NBS1 und H2AX, sind Tumorsuppressoren. Die Aktivierung von ATM nach DSB erfordert einen funktionalen MRN-Komplex. Der Komplex funktioniert stromaufwärts von ATM in Säugetierzellen und induziert konformationale Veränderungen, wodurch die Affinität von ATM zu seinen Substraten wie CHK2 und p53 erhöht wird. Es gibt inaktive ATMs in Einheiten ohne DSB, diese Monomere sind Dimere oder Multimere. Wenn DNA beschädigt ist, wird ATM an der Stelle Ser1981 autophosphoryliert. Diese Phosphorylierung fördert die Dissoziation des ATM-Dimers und setzt anschließend das aktive ATM-Monomer frei. Die normale Aktivität der ATM-Kinase erfordert weitere Autophosphorylierung (Reste Ser367 und Ser1893). Die Aktivierung von ATM durch den MRN-Komplex erfordert mindestens zwei Schritte, nämlich die Rekrutierung von ATM zum DSB-Ende über einen Mediator, der das DNA-Schaden-Kontrollprotein 1 (MDC1) von MRE11 bindet, und die anschließende Stimulation der Kinaseaktivität mit NBS1 C.-Ende. Die drei Domänen FAT, PRD und FATC sind an der Regulierung der Aktivität der KD-Kinasedomäne beteiligt. Die FAT-Domäne interagiert mit der KD-Domäne des ATM, um die C-terminale Region des ATM selbst zu stabilisieren. Die FATC-Domäne ist entscheidend für die Kinaseaktivität und ist sehr empfindlich gegenüber Mutagenese. Sie vermittelt Protein-Protein-Interaktionen, wie die Histon-Acetyltransferase TIP60 (HIV-1 Tat-interagierendes Protein 60 kDa), die ATM an der Stelle Lys3016 acetylieren. Die Acetylierung erfolgt in der C-terminalen Hälfte der PRD-Domäne und ist erforderlich für die Aktivierung der ATM-Kinase und ihre Umwandlung in Monomere. Obwohl die Deletion der gesamten PRD-Domäne die ATM-Kinaseaktivität eliminiert, haben spezifische kleine Deletionen keinen Einfluss.

mTOR

Mammalian target of rapamycin (mTOR) ist ein wichtiger Regulator des Zellwachstums und der Proliferation. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die abnormale Regulation des mTOR-Signalwegs eng mit der Zellproliferation verbunden ist. mTOR ist mit anderen Proteinen verbunden und dient als Kernkomponente von zwei verschiedenen Proteinkomplexen, mTOR-Komplex 1 und mTOR-Komplex 2, die verschiedene zelluläre Prozesse regulieren. Insbesondere wirkt mTOR als Kernkomponente dieser beiden Komplexe als Serin/Threonin-Proteinkinase, die Zellwachstum, Zellproliferation, Zellbewegung, Zellüberleben, Proteinsynthese, Autophagie und Transkription reguliert. Als Kernkomponente von mTORC2 fungiert mTOR auch als Tyrosin-Proteinkinase und fördert die Aktivierung von Insulinrezeptoren und Insulin-ähnlichen Wachstumsfaktor 1-Rezeptoren. mTORC2 ist auch an der Kontrolle und Aufrechterhaltung des Aktin-Zytoskeletts beteiligt.

Abbildung 2. Struktur des mTOR-Proteins.

ATR

ATR ist eine serin/threonin-spezifische Proteinkinase, die an der Erkennung von DNA-Schäden und der Aktivierung von DNA-Schaden-Kontrollpunkten beteiligt ist, was zu einer Zellzyklus-Arrest führt. ATR wird als Reaktion auf persistierende einzelsträngige DNA aktiviert, ein häufiges Intermediat, das während der Erkennung und Reparatur von DNA-Schäden entsteht. Einzelsträngige DNA tritt an gestoppten Replikationsgabeln auf und wirkt als Intermediat in DNA-Reparaturwegen wie der Nukleotid-Exzisionsreparatur und der homologen Rekombinationsreparatur. ATR erkennt zusammen mit einem Chaperon-Protein namens ATRIP einzelsträngige DNA, die in RPA gewickelt ist. Sobald ATR aktiviert ist, phosphoryliert es Chk1 und initiiert damit eine Signaltransduktionskaskade, die schließlich zu einer Zellzyklus-Arrest führt. Neben seiner Rolle bei der Aktivierung von DNA-Schaden-Kontrollpunkten wird angenommen, dass ATR auch eine Rolle bei ungestörter DNA-Replikation spielt.

Referenzen

1. Cimprich KA; et al. cDNA cloning and gene mapping of a candidate human cell cycle checkpoint protein. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1996,93 (7): 2850-5.
2. Sabers CJ1; et al. Isolation of a Protein Target of the FKBP12-Rapamycin Complex in Mammalian Cells. J Biol Chem. 1995, 270(2):815-22