• Активность CDK-циклиновых комплексов регулируется фосфорилированием, белковыми ингибиторами, протеолизом, а также за счет их различной внутриклеточной локализации
Хотя основным путем регуляции CDK является связывание с циклином, существуют также другие способы контроля их активности. В отдельных статьях на сайте мы рассмотрим различные пути регуляции активности CDK-циклиновых комплексов и выясним, как посредством этой регуляции изменяется их специфическая активность в клеточном цикле.
Большей частью, активность CDK контролируется уже после того, как фермент связался с циклином. Дополнительные уровни регуляции активности сглаживают и делают необратимыми переходы между различными фазами клеточного цикла, а также служат для остановки или наступления его событий, в ответ на изменения внутриклеточных процессов или окружающей среды.
Одним из способов контроля активности CDK-циклиновых комплексов является их фосфорилирование. Фосфорилирование может происходить с двух сторон комплекса. При фосфорилировании с одной стороны фермент активируется, а с другой — ингибируется. К активации приводит фосфорилирование остатка треонина, который находится в Т-петле молекулы киназы.
Последняя представляет собой консервативный домен, присутствующий во всех протеинкиназах. Фосфорилирование приводит к конформационным изменениям молекулы CDK, которые и активируют фермент. Это активирующее фосфорилирование катализируется CDK-активирующей киназой. Фосфорилирование, приводящее к ингибированию активности CDK, происходит в другой части молекулы, либо на консервативном остатке тирозина, либо на примыкающем к нему остатке треонина.
Добавление фосфатных групп, вызывающих ингибирование активности фермента, происходит под действием киназ семейства Weel, а их удаление — под действием семейства фосфатаз Cdc25. В каждый момент времени активность CDK-циклинового комплекса контролируется по состоянию фосфорилирования этих сайтов.
Фосфорилирование Thr167 Cdk1 под действием САК вызывает активацию комплекса.
Однако фосфорилирование Thr14 и Tyr15 киназами семейства Wee1 поддерживает комплекс Cdk1 в неактивном состоянии в С2-периоде.
При переходе от G2 к М фосфатные группы удаляются под действием Cdc25 семейства фосфатаз, что приводит к активации комплекса Cdk1.
Наступление различных стадий цикла происходит в результате интеграции многих сигналов, при которой контролируется активность Weel и/или Cdc25. Как мы, например, увидим, окружающая среда и контрольные точки влияют на клеточный цикл, изменяя то или иное событие фосфорилирования.
Другой путь регуляции активности CDK состоит в связывании небольших молекул белковых ингибиторов с ферментом. Существует две группы таких ингибиторов циклинкиназ (CKI). Представители группы ингибиторов р16 взаимодействуют с субъединицами киназы, предотвращая ассоциацию с ними циклина. Напротив, ингибиторы из группы Cip/Kip, например р27, связываются с CDK-циклиновыми комплексами и ингибируют их активность.
Большинство известных CKI действуют в G1 и/или в S-фазе цикла и служат барьером на пути наступления его дальнейших фаз. Такое положение сохраняется до тех пор, пока в клетке не будут созданы условия для преодоления этого барьера. Например, CKI из группы р16 присутствуют в G1 периоде цикла и блокируют его там до тех пор, пока не образуется достаточное количество G1 циклинов, которые способны вытеснить ингибиторы из их комплекса с молекулами G1 CDK.
Активность циклин-зависимых киназ также контролируется их изоляцией от активаторов, ингибиторов или субстратов при миграции в различные области клетки. Одним из хорошо известных примеров является изменение локализации циклина В1 в интерфазных клетках. Для того чтобы клетка могла войти в митоз, циклин В1 должен связаться с Cdk1 и в ядре вызвать фосфорилирование субстратов. Циклин В1 постоянно мигрирует между ядром и цитоплазмой, но, поскольку он содержит как сигнал цитоплазматической локализации, так и ядерного экспорта, в интерфазе он накапливается в цитоплазме.
Непосредственно перед наступлением митоза сигналы ядерного экспорта инактивируются за счет фосфорилирования. При этом в ядре в больших количествах накапливается комплекс Cdk1-циклин В1, который взаимодействует со своими субстратами. Известно много других примеров регуляции активности комплекса CDK-циклин, связанной с изменением локализации регуляторных молекул. Не исключено также, что этот тип регуляции служит для образования контактов между комплексами CDK и их субстратами.
Как отмечалось выше, периодическое появление циклинов представляет собой ключевой механизм регуляции каталитической активности субъединиц CDK. Циклины накапливаются в определенные периоды клеточного цикла и активируют свои киназы. В точках перехода циклины становятся крайне неустойчивыми, и за счет их расщепления клетки необратимо продвигаются по циклу. Внезапно наступающее расщепление циклинов обусловлено активацией убиквитин-лигазных комплексов, которые отбирают эти белки для их последующего разрушения с участием протеосом.
Вкратце, убиквитин (Ub) ковалентно связывается с субстратными белками, например с циклинами, с участием ферментного каскада, содержащего Ub-активирующий (Е1), конъюгирующий (Е2) и лигазирующий (Е3) ферменты. Когда все убиквитины связались с белком, он становится предназначенным для последующего разрушения комплексом белков, который называется протеосомой. Хорошим примером такого упреждающего контроля служит сама Cdk, которая программируют собственную деградацию, активируя циклин-убиквитин лигазы. В зависимости от типа клеток, для системы разрушения циклинов характерны различия. На рисунке ниже представлены различные механизмы регуляции активности CDK.
В остальной части настоящей главы мы рассмотрим, каким образом происходит взаимодействие между основной биологической машиной клеточного цикла и перечисленными путями контроля, в результате которого обеспечиваются переходы клеточного цикла. Это взаимодействие отличается сложной природой, и мы увидим, что такая сложность необходима для того, чтобы обеспечить некоторые наиболее важные свойства клеточного цикла: переходы должны быть полными, необратимыми и должны осуществляться только при полной готовности клетки к этому шагу.
Белок р27 ингибирует CDK-циклиновый комплекс.
(Верхний рисунок) Активность CDK регулируется фосфорилированием, которое оказывает на фермент как активирующее, так и ингибирующее действие.
(Второй рисунок) Протеолиз циклина В, происходящий при выходе клетки из митоза, участвует в инактивации митотической Cdk1.
(Третий рисунок) Связывание ингибиторов CDK (CKI) с субъединицей CDK (слева) или с CDK-циклиновым комплексом (справа) приводит к ингибированию активности CDK.
(Нижний рисунок) В фазе G2 преимущественно происходит NES-зависимый экспорт циклина В из ядра, что приводит к его отделению от Cdk1.
В клетке, коммитированной на митоз, фосфорилирование ключевых сайтов в циклине В приводит к снижению его экспорта, к накоплению в ядре и к увеличению его доступности для субстратов.
