Phosphatidylinositol-3'-Kinase-verwandte Kinasen (PIKK)-Familie

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.

Klassifizierung

Je nach unterschiedlichen Strukturen, spezifischen Substraten und regulatorischen Untereinheiten kann die PI3K-Familie in drei Hauptklassen unterteilt werden. Klasse I: Ein Heterodimer, bestehend aus einer katalytischen Untereinheit mit einem Molekulargewicht von 110 bis 120 Dalton und einer regulatorischen Untereinheit mit einem Molekulargewicht von 50 bis 100 Dalton. Es gibt vier Subtypen der katalytischen Untereinheit: p110α, p110β, p110γ und p110δ. Die regulierenden Untereinheiten sind p50, p55, p85 und p1014 Subtypen. Phosphatidylinositol, Phosphatidylinositol-4-phosphat und Phosphatidylinositol-4,5-diphosphat können in vitro phosphoryliert werden; das einzige Substrat im Körper ist Phosphatidylinositol-4,5-diphosphat. Die Aktivierung wird durch die Bindung von extrazellulären Signalrezeptoren an intrazelluläre Protein-Tyrosinkinasen, Src-ähnliche Protein-Tyrosinkinase-gekoppelte Rezeptoren und G-Protein-gekoppelte Rezeptoren gesteuert.

Klasse I PI3K

Typ I PI3K umfasst vier verschiedene katalytische Untereinheiten, alle mit einem Molekulargewicht von etwa 110 Dalton, und weist ähnliche strukturelle Merkmale und spezifische Substrate auf. In vitro kann Klasse I PI3K Phosphatidylinositol zu Phosphatidylinositoltriphosphat, Phosphatidylinositoltriphosphat zu Phosphatidylinositol-3,4-diphosphat, Phosphatidylinositol-4,5-diphosphat zu Phospholipiden Inositol-3,4,5-triphosphat phosphorylieren. Typ I PI3K liegt im Ruhezustand meist im Zytoplasma vor. Nach Stimulation durch entsprechende Rezeptoren oder Adapterproteine wird es zur Zellmembran rekrutiert. Es wirkt hauptsächlich an der Zellmembran, wurde aber auch in intrazellulären Vesikeln und Zellkernen nachgewiesen. Je nach unterschiedlichen regulatorischen Untereinheiten und Aktivierungsmechanismen kann Klasse I PI3K in zwei Gruppen unterteilt werden. Gruppen, die p85 binden und Tyrosinreste direkt phosphorylieren können, sind Gruppe 1A, während PI3Kγ und p101-Proteine Gruppe 1B sind.

Klasse II PI3K

Typ II PI3K wird aufgrund seiner einzigartigen C-terminalen C2-Funktionsdomäne als neuer Typ von PI3K angesehen, und sein Molekulargewicht liegt üblicherweise zwischen 170 und 210 Dalton. Klasse II PI3K bindet nicht an p85, und regulatorische Untereinheiten sind nicht bekannt. Je nach Sequenz der N-terminalen SH3-Domäne und der Empfindlichkeit gegenüber Wortmannin kann Klasse II PI3K in drei Gruppen unterteilt werden: PI3K-C2α, PI3K-2Cβ und PI3K-2Cγ. Typ II PI3K ist überwiegend in der Zellmembran, Organellenmembran und sogar der Kernmembran verteilt. Extrazelluläre Signale wie Integrine, Wachstumsfaktoren und Chemokine können die Aktivierung der Klasse II PI3K stimulieren. In vitro kann Klasse II PI3K Phosphatidylinositol und Phosphatidylinositoltetraphosphat phosphorylieren, jedoch nicht Phosphatidylinositol-4,5-diphosphat. Typ II PI3K besitzt keine eigenständigen regulatorischen Untereinheiten, verfügt jedoch über C-terminale und N-terminale Bereiche ähnlich wie Typ I PI3K zur Ausübung regulatorischer Funktionen. Das N-terminale Ende besitzt keine eigenständige strukturelle Funktionsdomäne, aber eine coiled-coil-Struktur und ein prolinreiches Motiv, wodurch Protein-Protein-Interaktionen reguliert werden. Das C-terminale Ende enthält PX- und C2-Domänen, die Lipid- oder Proteininteraktionen an der Zellmembran regulieren können. Die C2-Domäne steht im Zusammenhang mit synaptischen Bindungsproteinen. Wenn die konservierte Asparaginsäurerest gelöscht wird, ist sie unempfindlich gegenüber Ca²⁺.

Klasse III PI3K

Der Prototyp der Klasse III PI3K ist das Vps34p-Protein des Vps34-Genprodukts in Saccharomyces cerevisiae. Alle Klasse III PI3K-Proteine phosphorylieren ausschließlich Phosphatidylinositol zu Phosphatidylinositol-3-phosphat. Das PIK3-C3-Gen befindet sich auf dem langen Arm, Region 2, von Chromosom 18 und umfasst eine regulatorische Untereinheit mit einem Molekulargewicht von 150 Dalton. Es besitzt endogene Serin-Proteinkinase-Aktivität. Vac34-defiziente Hefezellen oder Vps34-katalysierte Zellen konnten keine vakuolären Sortierungsproteine produzieren. In diesen Zellen war Phosphatidylinositoltriphosphat vollständig eliminiert, was darauf hindeutet, dass Vps34p das einzige Protein mit PI3K-Aktivität in Hefezellen ist. Darüber hinaus ist Vps34 hauptsächlich an der Membran von Organellen lokalisiert und ist an Autophagie und Phagosomenbildung, Bildung von intrazellulären Vesikeln und Transport durch die Kernmembran beteiligt.

Verteilung von PI3K

Untersuchungen haben gezeigt, dass p110α und p110β in allen Geweben des tierischen Körpers verteilt sind, p110γ hauptsächlich in weißen Blutkörperchen vorkommt, p110δ stark in weißen Blutkörperchen exprimiert wird und auch in Krebszellen hoch exprimiert ist, und p85α in verschiedenen Geweben des gesamten Körpers verteilt ist. Die Expression in der Skelettmuskulatur ist jedoch am niedrigsten, p55α ist nur im Gehirn und Muskel verteilt, p50α hauptsächlich in Leber, Niere und Gehirn, und p85β ist in allen Geweben im gesamten Körper verteilt, aber die Expression ist in der Skelettmuskulatur am niedrigsten. p55γ wird stark im Gehirn und Hoden exprimiert, jedoch nicht in Leber und Muskel. p101 wird hauptsächlich in weißen Blutkörperchen exprimiert, p84 und p87 werden stark in weißen Blutkörperchen und Myokard exprimiert, und PI3K-C2α ist hauptsächlich im Myokard, in der Plazenta und im Ovar verteilt. PI3K-C2β ist hauptsächlich im Thymus und in der Plazenta verteilt, und PI3K-C2γ ist hauptsächlich in Leber, Prostata, Brust und Speicheldrüsen verteilt.

Referenz

1. Kalaany NY; et al. Tumoren mit PI3K-Aktivierung sind resistent gegen diätetische Einschränkung. Nature. 2009, 458 (7239): 725-31.