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 sekundäre Botenstoffe binden sie an verschiedene Zielzellen und aktivieren diese, wodurch eine komplexe Signalkaskade entsteht. Sie spielen eine zentrale Rolle bei Chemotaxis, Überleben, Proteintransport und Glukosestoffwechsel. Basierend auf der detaillierten Klassifizierung und den strukturellen Merkmalen der Mitglieder der Phosphatidylinositol-3-Kinase-Familie werden der Phosphatidylinositol-3-Kinase-abhängige Signalweg und seine zugehörigen 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-Schadenskontrollpunkten einleiten, was zu Zellzyklusarrest, DNA-Reparatur oder Apoptose führt. Mehrere dieser Zielproteine, darunter p53, CHK2, BRCA1, NBS1 und H2AX, sind Tumorsuppressoren. Die Aktivierung von ATM nach DSB erfordert einen funktionellen MRN-Komplex. Der Komplex wirkt in Säugetierzellen stromaufwärts von ATM und induziert Konformationsänderungen, wodurch die Affinität von ATM zu seinen Substraten wie CHK2 und p53 erhöht wird. In Einheiten ohne DSB liegen inaktive ATMs als Dimere oder Multimere vor. Bei DNA-Schädigung wird ATM an 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 eine weitere Autophosphorylierung (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 MRE11s DNA-Schadenskontrollprotein 1 (MDC1) 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 von ATM, um die C-terminale Region von ATM selbst zu stabilisieren. Die FATC-Domäne ist entscheidend für die Kinaseaktivität und hoch empfindlich gegenüber Mutagenese. Sie vermittelt Protein-Protein-Interaktionen, wie z. B. mit Histonacetyltransferase TIP60 (HIV-1 Tat interagierendes Protein 60 kDa), die ATM an Rest Lys3016 acetylieren kann. Die Acetylierung erfolgt in der C-terminalen Hälfte der PRD-Domäne und ist für die Aktivierung der ATM-Kinase und deren Umwandlung in Monomere erforderlich. Obwohl die Deletion der gesamten PRD-Domäne die ATM-Kinaseaktivität eliminiert, haben spezifische kleine Deletionen keinen Effekt.

mTOR

Mammalian Target of Rapamycin (mTOR) ist ein wichtiger Regulator für Zellwachstum und Zellproliferation. 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 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 auch als Tyrosin-Proteinkinase und fördert die Aktivierung von Insulinrezeptoren und Insulin-ähnlichen Wachstumsfaktor-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-Schadenskontrollpunkten beteiligt ist, was zu einem Zellzyklusarrest führt. ATR wird als Reaktion 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 wirkt als Zwischenprodukt in DNA-Reparaturwegen wie der Nukleotid-Exzisionsreparatur und der homologen Rekombinationsreparatur. ATR erkennt zusammen mit einem Chaperonprotein namens ATRIP einzelsträngige DNA, die in RPA eingehüllt ist. Sobald ATR aktiviert ist, phosphoryliert es Chk1 und leitet so eine Signaltransduktionskaskade ein, die schließlich zum Zellzyklusarrest führt. Neben seiner Rolle bei der Aktivierung von DNA-Schadenskontrollpunkten wird angenommen, dass ATR auch eine Rolle bei der ungestörten DNA-Replikation spielt.

Referenzen

1. Cimprich KA; et al. cDNA-Klonierung und Genkartierung eines Kandidatenproteins für den Zellzyklus-Checkpoint beim Menschen. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1996,93 (7): 2850-5.
2. Sabers CJ1; et al. Isolierung eines Protein-Ziels des FKBP12-Rapamycin-Komplexes in Säugetierzellen. J Biol Chem. 1995, 270(2):815-22