Familie der Phosphatidylinositol-3′-Kinase-verwandten Kinasen (PIKK)

Mitglieder der Phosphatidylinositol-3-Kinase-Familie können nach Aktivierung durch Wachstumsfaktoren und andere Stimuli Phospholipide erzeugen. Als Second Messenger binden und aktivieren sie verschiedene 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 assoziierten Funktionen vorgestellt.

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

Klassifizierung

Aufgrund unterschiedlicher Strukturen, spezifischer Substrate und regulatorischer Untereinheiten lässt sich die PI3K-Familie in drei Hauptklassen einteilen. Klasse-I-PI3K liegt als Heterodimer vor, 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 Untereinheiten: p110α, p110β, p110γ und p110δ. Die regulatorischen Untereinheiten umfassen die Subtypen p50, p55, p85 und p101. In vitro können Phosphatidylinositol, Phosphatidylinositol-4-phosphat und Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat phosphoryliert werden; in vivo ist Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat das einzige Substrat. Die Aktivierung wird durch die Bindung extrazellulärer Signalrezeptoren an intrazelluläre Protein-Tyrosinkinasen, an Src-ähnliche Protein-Tyrosinkinase-gekoppelte Rezeptoren sowie an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren gesteuert.

Klasse-I-PI3K

Klasse-I-PI3K umfasst vier unterschiedliche katalytische Untereinheiten, alle mit einem Molekulargewicht von etwa 110 Dalton, mit ähnlichen strukturellen Eigenschaften und spezifischen Substraten. In vitro kann Klasse-I-PI3K Phosphatidylinositol zu Phosphatidylinositoltriphosphat, Phosphatidylinositoltriphosphat zu Phosphatidylinositol-3,4-bisphosphat sowie Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat zu Phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphat phosphorylieren. Klasse-I-PI3K liegt im Ruhezustand üblicherweise im Zytoplasma vor. Nach Stimulation durch entsprechende Rezeptoren oder Adapterproteine wird sie an die Zellmembran rekrutiert. Sie wirkt hauptsächlich an der Zellmembran, es wurde jedoch auch über Wirkorte an intrazellulären Vesikeln und im Zellkern berichtet. Abhängig von unterschiedlichen regulatorischen Untereinheiten und Aktivierungsmechanismen kann Klasse-I-PI3K in zwei Gruppen unterteilt werden. Die Gruppe, die p85 binden und Tyrosinreste direkt phosphorylieren kann, ist Gruppe IA, während PI3Kγ und das p101-Protein der Gruppe IB zugeordnet werden.

Klasse-II-PI3K

Klasse-II-PI3K wird aufgrund ihrer einzigartigen C-terminalen C2-Funktionsdomäne als neuer PI3K-Typ angesehen; ihr Molekulargewicht liegt üblicherweise zwischen 170 und 210 Dalton. Klasse-II-PI3K bindet nicht an p85, und eigenständige regulatorische Untereinheiten sind nicht beschrieben. Basierend auf der Sequenz der N-terminalen SH3-Domäne und Unterschieden in der Empfindlichkeit gegenüber Wortmannin kann Klasse-II-PI3K in drei Gruppen eingeteilt werden: PI3K-C2α, PI3K-C2β und PI3K-C2γ. Klasse-II-PI3K ist überwiegend in der Zellmembran lokalisiert, zudem in Organellenmembranen und sogar in der Kernmembran. Extrazelluläre Signale wie Integrine, Wachstumsfaktoren und Chemokine können die Aktivierung von Klasse-II-PI3K stimulieren. In vitro kann Klasse-II-PI3K Phosphatidylinositol und Phosphatidylinositol-4-phosphat phosphorylieren, jedoch nicht Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat. Klasse-II-PI3K besitzt keine unabhängigen regulatorischen Untereinheiten, verfügt jedoch über C- und N-terminale Bereiche, die – ähnlich wie bei Klasse-I-PI3K – regulatorische Funktionen ausüben. Der N-Terminus weist keine eigenständige strukturelle Funktionsdomäne auf, enthält jedoch eine Coiled-Coil-Struktur und ein prolinreiches Motiv und reguliert dadurch Protein-Protein-Interaktionen. Der C-Terminus enthält PX- und C2-Domänen, die Lipid- oder Proteininteraktionen an der Zellmembran regulieren können. Die C2-Domäne steht in Zusammenhang mit synaptischen Bindungsproteinen. Wird der konservierte Aspartatrest deletiert, ist sie gegenüber Ca²⁺ unempfindlich.

Klasse-III-PI3K

Der Prototyp der Klasse-III-PI3K ist das Vps34p-Protein, das Produkt des Vps34-Gens in Saccharomyces cerevisiae. Alle Klasse-III-PI3K-Proteine phosphorylieren ausschließlich Phosphatidylinositol zu Phosphatidylinositol-3-phosphat. Das PIK3-C3-Gen liegt auf dem langen Arm von Chromosom 18, Region 1, Band 2, und umfasst eine regulatorische Untereinheit mit einem Molekulargewicht von 150 Dalton. Es besitzt eine endogene Serin-Proteinkinase-Aktivität. Vac34-defiziente Hefezellen bzw. Zellen mit Vps34-katalytischem Defekt konnten keine vakuolären Sortierungsproteine bilden. 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 überwiegend an Organellenmembranen lokalisiert und steht in Zusammenhang mit Autophagie und Phagosomenbildung, der Bildung intraluminaler Vesikel sowie dem Transport an der Kernmembran.

Verteilung von PI3K

Studien zeigten, dass p110α und p110β in allen Geweben des tierischen Organismus verteilt sind, p110γ hauptsächlich in Leukozyten vorkommt, p110δ in Leukozyten hoch exprimiert ist und zudem in Tumorzellen in hohen Mengen exprimiert wird, und p85α in verschiedenen Geweben des gesamten Organismus verteilt ist. Die Expression in der Skelettmuskulatur ist jedoch am niedrigsten. p55α ist nur im Gehirn und in der Muskulatur verteilt, p50α hauptsächlich in Leber, Niere und Gehirn, und p85β ist in allen Geweben des Körpers verteilt, weist jedoch die niedrigste Expression in der Skelettmuskulatur auf. p55γ ist im Gehirn und in den Hoden hoch exprimiert, jedoch nicht in Leber und Muskulatur. p101 wird hauptsächlich in Leukozyten exprimiert, p84 und p87 sind in Leukozyten und Myokard hoch exprimiert, und PI3K-C2α ist vorwiegend im Myokard, in der Plazenta und im Ovar verteilt. PI3K-C2β ist hauptsächlich im Thymus und in der Plazenta verteilt, und PI3K-C2γ überwiegend in Leber, Prostata, Brust und Speicheldrüsen.

Referenz

1. Kalaany NY; et al. Tumours with PI3K activation are resistant to dietary restriction. Nature. 2009, 458 (7239): 725-31.