PKC

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Protein-Kinase C (auch als PKC bezeichnet) ist eine Familie von Proteinkinase-Enzymen, die an der Steuerung der Funktion anderer Proteine beteiligt sind, indem sie Hydroxylgruppen von Serin- und Threonin-Aminosäureresten phosphorylieren. PKC-Enzyme werden durch Signale wie eine erhöhte Konzentration von Diacylglycerol (DAG) oder Calciumionen aktiviert. Dadurch sind PKC-Enzyme in mehreren Signaltransduktionskaskaden von Bedeutung. Die PKC-Familie umfasst beim Menschen fünfzehn Isoenzyme, die anhand ihrer Anforderungen an Second Messenger in drei Unterfamilien eingeteilt werden: konventionell (oder klassisch), neuartig und atypisch. Konventionelle PKCs umfassen die Isoformen α, βI, βII und γ. Für ihre Aktivierung benötigen sie DAG, Ca²⁺ und ein Phospholipid wie Phosphatidylserin. Neuartige PKCs umfassen die Isoformen δ, ε, η und θ und benötigen DAG, jedoch kein Ca²⁺ zur Aktivierung. Das bedeutet, dass konventionelle und neuartige PKCs über denselben Signaltransduktionsweg wie die Phospholipase C aktiviert werden. Atypische PKCs (einschließlich Protein-Kinase Mζ sowie der Isoformen ι/λ) benötigen weder Ca²⁺ noch Diacylglycerol zur Aktivierung. Der Begriff Protein-Kinase C bezieht sich häufig auf die gesamte Isoformenfamilie.

Abbildung 1. Struktur der Protein-Kinase C.

Struktur der Protein-Kinase C

Alle PKCs besitzen eine regulatorische und eine katalytische Domäne, die über eine Scharnierregion miteinander verbunden sind. Die katalytische Region ist zwischen den verschiedenen Isoformen sowie im Vergleich zu anderen Serin/Threonin-Kinasen hoch konserviert. Die Anforderungen an Second Messenger unterscheiden sich zwischen den Isoformen aufgrund der regulatorischen Region. Große Teile der Kristallstruktur der katalytischen Region von PKC sind bislang noch nicht aufgeklärt; Ausnahmen bilden PKC Theta und Iota. Aufgrund der Ähnlichkeit zu anderen Kinasen mit dokumentierten Kristallstrukturen wurden zahlreiche Strukturvorhersagen getroffen. Die regulatorische Domäne der PKCs enthält mehrere gemeinsame Subregionen. Die C1-Domäne besitzt eine Bindungsstelle für DAG sowie für nicht hydrolysierbare, nicht physiologische Analoga, die als Phorbolester bekannt sind. Diese Domäne ist funktionell und kann DAG sowohl in konventionellen als auch in neuartigen Isoformen binden. Die C1-Domäne atypischer PKCs kann hingegen weder DAG noch Phorbolester binden. Die C2-Domäne fungiert als Ca²⁺-Sensor und findet sich in konventionellen und neuartigen Isoformen; als Ca²⁺-Sensor ist sie jedoch nur in konventionellen Isoformen funktionell. Die Pseudosubstrat-Region in allen drei PKC-Klassen ist eine kurze Aminosäuresequenz, die ein Substrat imitiert und an die Substratbindetasche der katalytischen Domäne bindet. Wenn DAG und Ca²⁺ in geeigneten Konzentrationen gleichzeitig vorhanden sind, binden sie an die C1- bzw. C2-Domäne. Zudem rekrutieren sie PKC an die Membran, was zur Freisetzung des Pseudosubstrats aus der katalytischen Bindungsstelle und zur Aktivierung des Enzyms führt. PKC muss hierfür korrekt gefaltet sein und eine geeignete Konformation aufweisen, die diese Interaktionen ermöglicht. Die katalytische Region von PKC erlaubt die Umsetzung unterschiedlicher Funktionen. Sie ermöglicht außerdem Phosphorylierungen, die für die Funktionsfähigkeit der Kinase essenziell sind. Konventionelle und neuartige PKCs besitzen drei Phosphorylierungsstellen, die als Aktivierungsschleife (activation loop), Turn-Motiv und hydrophobes Motiv bezeichnet werden. Die Konsensussequenz der Protein-Kinase-C-Enzyme ähnelt der von Protein-Kinase A, da sie basische Aminosäuren in der Nähe des zu phosphorylierenden Ser/Thr-Rests enthält.

Funktionen

Protein-Kinase C ist ein zytoplasmatisches Enzym. In nicht stimulierten Zellen ist PKC überwiegend im Zytoplasma in einer inaktiven Konformation verteilt. Sobald ein Second Messenger vorliegt, wird PKC zu einem membrangebundenen Enzym. Es kann Enzyme im Zytoplasma aktivieren und an der Regulation biochemischer Reaktionen mitwirken. Darüber hinaus kann es auf Transkriptionsfaktoren im Zellkern einwirken und an der Regulation der Genexpression beteiligt sein.

Kontrolle des Zuckerstoffwechsels

In Leberzellen wirken Protein-Kinase C und Protein-Kinase A zusammen, um die Glykogensynthase zu phosphorylieren, die Aktivität des glukosepolymerisierenden Enzyms zu hemmen und den Glykogenstoffwechsel zu fördern.

• Kontrolle der Zelldifferenzierung

Myogenin ist ein Transkriptionsfaktor, der eine Schlüsselrolle bei der Differenzierung von Muskelzellen spielt. In Myoblasten kann Protein-Kinase C Myogenin phosphorylieren, wodurch die Fähigkeit von Myogenin, an DNA zu binden, gehemmt wird; dies verhindert die Differenzierung der Zellen zu Muskelfasern.

• Beteiligung an der Regulation der Genexpression

Protein-Kinase C kann auf mindestens zwei Arten an der Kontrolle der Genexpression beteiligt sein. Ein Weg besteht darin, dass die Proteinkinase ein Phosphorylierungskaskadensystem aktiviert, um MAP-Proteinkinase zu phosphorylieren; die phosphorylierte MAP-Proteinkinase phosphoryliert anschließend das genregulatorische Protein Elk-1 und aktiviert es. Aktiviertes Elk-1 bindet an eine kurze DNA-Sequenz (Serum-Response-Element, SRE) und ko-reguliert dann die Genexpression zusammen mit einem weiteren Faktor (Serum-Response-Faktor, SRF). Ein weiterer Weg besteht darin, Proteinkinasen zu phosphorylieren und das inhibitorische Protein Iκ-B zu aktivieren, wodurch das genregulatorische Protein NF-κ-B freigesetzt wird und in den Zellkern transloziert, um die Transkription spezifischer Gene zu aktivieren.

Aktivierung

Die Aktivität von PKC hängt von der Anwesenheit von Calciumionen und Phospholipiden ab; jedoch ist die physiologische Konzentration von Calciumionen nur in Gegenwart des Zwischenprodukts des Phospholipidstoffwechsels Diacylglycerol (DAG) wirksam. Dies liegt daran, dass DAG die Affinität von PKC zum Substrat erhöhen kann. Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) wird unter der Wirkung der Phospholipase C hydrolysiert, wobei DAG und IP3 entstehen. IP3 fördert die Freisetzung intrazellulärer Calciumionen und wirkt im Prozess der PKC-Aktivierung synergistisch mit DAG. Eine Vielzahl chemischer Substanzen oder Antibiotika zeigt inhibitorische Effekte auf die PKC-Aktivität. Abhängig von den unterschiedlichen Zielstellen der Inhibitoren lassen sich diese in zwei Gruppen einteilen: Eine Gruppe umfasst Inhibitoren, die auf die katalytische Region wirken und an konservierte Reste von Proteinkinasen binden können, sodass keine ausgeprägte Selektivität für PKC besteht; die andere Gruppe umfasst Inhibitoren, die auf die regulatorische Region wirken und mit Ca²⁺, Phospholipiden sowie Diacylglycerol/Phorbolestern interagieren können, wodurch sie eine höhere Selektivität aufweisen.