Phosphatidylinositol-3-Kinase-verwandte Kinasen (PIKKs) sind eine Familie von Serin/Threonin-Proteinkinasen mit Sequenzähnlichkeit zu Phosphatidylinositol-3-Kinasen (PI3Ks). Mitglieder der Phosphatidylinositol-3-Kinase-Familie können nach Aktivierung durch Wachstumsfaktoren und weitere Stimuli Phospholipide erzeugen. Als Second Messenger binden und aktivieren sie unterschiedliche Zielzellen und bilden eine komplexe Signalkaskade. Diese spielt eine zentrale Rolle bei Chemotaxis, Zellüberleben, Proteintransport und Glukosestoffwechsel. Auf Basis der detaillierten Klassifizierung und der strukturellen Merkmale der Mitglieder der Phosphatidylinositol-3-Kinase-Familie werden der PI3K-abhängige Signalweg und seine zugehörigen Funktionen vorgestellt.

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

Beispiele für Kinasen der PIKK-Familie

ATM

Die 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-Schadens-Checkpoints initiieren und dadurch Zellzyklusarrest, DNA-Reparatur oder Apoptose auslösen. Mehrere dieser Zielproteine, darunter p53, CHK2, BRCA1, NBS1 und H2AX, sind Tumorsuppressoren. Die Aktivierung von ATM nach einem Doppelstrangbruch (DSB) erfordert einen funktionellen MRN-Komplex. Dieser Komplex wirkt in Säugerzellen upstream von ATM und induziert Konformationsänderungen, wodurch die Affinität von ATM zu seinen Substraten wie CHK2 und p53 erhöht wird. In Abwesenheit von DSB liegt ATM in inaktiven Einheiten vor; diese Monomere sind als Dimere oder Multimere organisiert. Bei DNA-Schädigung wird ATM am Rest 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 Autophosphorylierungen (Reste Ser367 und Ser1893). Die Aktivierung von ATM durch den MRN-Komplex erfordert mindestens zwei Schritte, nämlich die Rekrutierung von ATM an das DSB-Ende über einen Mediator, der an das DNA-Schadens-Checkpoint-Protein 1 von MRE11 (MDC1) bindet, sowie die anschließende Stimulation der Kinaseaktivität über das C-terminale Ende von NBS1. Die drei Domänen FAT, PRD und FATC sind an der Regulation der Aktivität der KD-Kinasedomäne beteiligt. Die FAT-Domäne interagiert mit der KD-Domäne von ATM und stabilisiert die C-terminale Region von ATM. Die FATC-Domäne ist für die Kinaseaktivität entscheidend und hoch sensitiv gegenüber Mutagenese. Sie vermittelt Protein-Protein-Interaktionen, beispielsweise mit der Histonacetyltransferase TIP60 (HIV-1 Tat interacting protein 60 kDa), die ATM am Rest Lys3016 acetyliert. Die Acetylierung erfolgt in der C-terminalen Hälfte der PRD-Domäne und ist für die Aktivierung der ATM-Kinase sowie deren Umwandlung in Monomere erforderlich. Während die Deletion der gesamten PRD-Domäne die ATM-Kinaseaktivität eliminiert, haben spezifische kleine Deletionen keinen Effekt.

mTOR

Das mammalian Target of Rapamycin (mTOR) ist ein wichtiger Regulator von Zellwachstum und Proliferation. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass eine Fehlregulation des mTOR-Signalwegs eng mit Zellproliferation assoziiert ist. mTOR ist mit anderen Proteinen verknüpft und bildet die Kernkomponente zweier unterschiedlicher Proteinkomplexe, mTOR-Komplex 1 und mTOR-Komplex 2, die unterschiedliche zelluläre Prozesse regulieren. Insbesondere wirkt mTOR als Kernkomponente dieser beiden Komplexe als Serin/Threonin-Proteinkinase und reguliert Zellwachstum, Zellproliferation, Zellbewegung, Zellüberleben, Proteinsynthese, Autophagie und Transkription. Als Kernkomponente von mTORC2 fungiert mTOR zudem als Tyrosin-Proteinkinase und fördert die Aktivierung von Insulinrezeptoren und Insulin-like-Growth-Factor-1-Rezeptoren. mTORC2 ist außerdem 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-Schadens-Checkpoints beteiligt ist, was zu einem Zellzyklusarrest führt. ATR wird als Antwort auf persistierende einzelsträngige DNA aktiviert, ein häufiges Zwischenprodukt, das während der Erkennung und Reparatur von DNA-Schäden entsteht. Einzelsträngige DNA tritt an gestoppten Replikationsgabeln auf und dient 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 von RPA umhüllt ist. Nach Aktivierung phosphoryliert ATR Chk1 und initiiert damit eine Signaltransduktionskaskade, die schließlich zum Zellzyklusarrest führt. Zusätzlich zu seiner Rolle bei der Aktivierung von DNA-Schadens-Checkpoints wird ATR eine Funktion bei der ungestörten DNA-Replikation zugeschrieben.

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