1.11.1. Система cdk-циклин - ключевой момент регуляции клеточного цикла.

Регуляция клеточного цикла достаточно консервативна для всех эукариот. Ключевыми фигурами этой регуляции являются несколько циклин-зависимых протеинкиназ CDKs (cyclin dependent kinases)

CDKs представляет собой комплекс, состоящий из двух разных субъединиц, одна из которых каталитическая, в другая активаторная, которая называется циклином и активирует каталитическую. Каталитическая субъединица не активна, и должна быть активирована циклином - это первая ступень активации киназного комплекса.ногие одноклеточные эукариоты (например, дрожжи) имеют только одну CDK-каталитическую единицу. У многоклеточных эукариот каталитических единиц несколько.

Ассоциация CDKs со специфичным циклином - ключевой момент в регулирвоании соответствующих фаз клеточного цикла. Все эукариоты имеют много циклинов, каждый из которых требуется в специфичной регуляторной стадии клеточного цикла. При этом специфические циклины связывается со “своей” CDK. Эти взаимосвязи определяют смену активности CDKs. Большое количество CDK и соответствующих циклинов обеспечивает тонкую регуляцию клеточого цикла.

CDKs - очень консервативный класс протеинеиназ. В комплексе с циклином, они фосфорилируют субстрат по остатку серина или треонина. На N-концевом участке белка они имеют АТФ-связывающий домен, далее следует небольшой домен PSTAIRE, который получил свое название по последовательности входящих в него аминокислот в однобуквенном коде. Этот домен является участком связывания с циклином. Могут быть вариации в последовательности аминокислот в этом домене, при этом CDK с одинаковыми PSTAIRE-доменами связываются с одинаковыми циклинами.

Разные CDK играют специфичную роль на разных этапах клеточного цикла. Например, для животных клеток показано, что CDK1 контролирует переход от G2 к митозу, СDK2 и CDK3 - переход от G1 к S-фазе, при этом CDK2 необходима в течение всей S-фазы. CDK4 и CDK5 необходимы в течение G1-фазы для контроля «решения» о переходе в новый митотический цикл.

В клетках растений также показана участие различных CDK в разных фазах клеточного цикла и их акитвация различными факторами, в частности, ауксином.

В дополнение к CDKs, в контроле клеточного цикла работают как минимум еще две протеинкиназы - CDC5 и CDC7. CDC5 необходима в М-фазе для регулирования “моторных” белков для сегрегации хромосом.

Циклины классифицируют на две группы

Митотические циклины, включаютв себя циклины В-типа (или М-циклины, от М-фазы цикла) и циклины А-типа (или S-циклины - от S-фазы). Циклины В-типа характеризуются большим консервативным центральным доменом - так называемым циклиновым боксом (cyclin box), который взаимодействует с киназной субъедининцей CDK.Помимо этого они имеют “разрушающий” домен, который ответственен за деградацию циклинов в позднем митозе. Циклины В-типа работают на участке перехода клетки их G2 фазы в митоз. Циклины А-типа также содержат разрушающий домен. Их присутствие обязательно для S-фазы клеточного цикла. Дрожжи содержат около десятка митотических циклинов А и В типа. У высшихрастений таких циклинов существенно больше.

G1 циклины включают прежде всего D-циклины, позже к ним были добавлены циклины Е-типа. D-циклины, аналогично циклинам В-типа, содержат центральный домен, но он менее консервативен.. D-циклины нестабильны, но “разрушающий” домен не регулирует процессе их распада. Одни из D-циклинов накапливаются только в G1-фазе и быстро деградируют в течение S-фазы, тогда как другие в низких концентрациях присутствуют в течение всего клеточного цикла. D-циклины регулируют переход клеток из G1 в S-фазу клеточного цикла, то есть довольно часто они участвуют в стартовой точке его запуска.

D-циклины являются одними из основных молекул, воспринимающих внешние сигналы регуляции клеточного цикла. У животных их накопление регулируется гормонами роста, у растений циклин D3 регулируется цитокинином. Это один из основных путей влияния цитокининов на пролиферацию растительных клеток.

Активность комплекса CDK-циклин контроллируется специальными киназами и фосфотазами, что является вторым уровнем регуляции системы митотического цикла.

Wee1-киназа (названа по фенотипу дрожжей с мутацией по этому гену) фосфорилирует треонин или тирозин около N-концевого участка CDK. Это фосфорилирование Thr 14 или Thr 15 ингибирует активность CDK. Гомолог wee1⁺ найден у растений.

CDC25p - мультифункциональная фосфотаза, которая убирает фосфаты с тирозина, треонина или серина. В частности, у CDK она «снимает» фосфаты, «посаженные» wee1, то есть является антогонистом этой киназы. CDC25p является мощным регулятором клеточного цикла. В частности, при дефектах или повреждениях ДНК CDC25 не активируется. При этом фосфориллированные CDK не работают, что обуславливает паузу в протекании цикла. За это время происходит реперация поврежденной ДНК.

Помимо обратимого фосфорилирования, CDK может быть выключена ингибитором. Идентифицированы ингибиторы CDK - CKIs. Они обратимо связываются с комплексом CDK-циклин и ингибирует его работу. Это обратимое ингибирование активности CDK используется для контроля до прохождения клеточного цикла.

Показано, что в двух точках клеточного цикла регуляторную роль играют специфичные протеазы. На старте цикла они нужны для инициации репликации ДНК, а при переходе от метафазы к анафазе протеазы разрушают когезионные белки, соединяющие две сестринские хроматиды.