Quinasa dependiente de ciclina

Las quinasas dependientes de ciclina (CDK) son un grupo predominante de proteínas quinasas de serina/treonina implicadas en la regulación del ciclo celular y su progresión, asegurando la integridad y funcionalidad de la maquinaria celular. Estas enzimas reguladoras desempeñan un papel crucial en la regulación del ciclo y la transcripción de las células eucariotas, así como en la reparación del ADN, el metabolismo y la regulación epigenética, en respuesta a varias señales extracelulares e intracelulares. Están presentes en todos los eucariotas conocidos y su función reguladora del ciclo celular se ha conservado evolutivamente. Las actividades catalíticas de las CDK están reguladas por interacciones con inhibidores de CDK (CKI) y subunidades reguladoras conocidas como ciclinas. Las ciclinas no tienen actividad enzimática en sí mismas, pero se vuelven activas una vez que se unen a las CDK. Sin ciclina, CDK es menos activa que en el complejo heterodímero ciclina-CDK. Las CDK fosforilan proteínas en residuos de serina (S) o treonina (T). La especificidad de las CDK por sus sustratos está definida por la secuencia S/T-P-X-K/R, donde S/T es el sitio de fosforilación, P es prolina, X es cualquier aminoácido y la secuencia termina con lisina (K) o arginina (R). ). Este motivo garantiza que las CDK apunten y modifiquen con precisión las proteínas, cruciales para regular el ciclo celular y otras funciones. La desregulación de la actividad de CDK está relacionada con diversas patologías, como el cáncer, las enfermedades neurodegenerativas y los accidentes cerebrovasculares.

Historia Evolutiva

Las CDK se identificaron inicialmente a través de estudios en organismos modelo como levaduras y ranas, lo que subraya su papel fundamental en la progresión del ciclo celular. Estas enzimas operan formando complejos con ciclinas, cuyos niveles fluctúan a lo largo del ciclo celular, asegurando así transiciones oportunas del ciclo celular. A lo largo de los años, la comprensión de las CDK se ha expandido más allá de la división celular para incluir funciones en la integración de la transcripción genética de señales celulares.

El viaje evolutivo de las CDK ha dado lugar a una familia diversa con miembros específicos dedicados a las fases del ciclo celular o al control transcripcional. Por ejemplo, la levadura en ciernes expresa seis CDK distintas, algunas de las cuales se unen a múltiples ciclinas para el control del ciclo celular y otras se unen a una sola ciclina para la regulación de la transcripción. En humanos, la expansión a 20 CDK y 29 ciclinas ilustra sus complejas funciones reguladoras. Las CDK clave, como CDK1, son indispensables para el control del ciclo celular, mientras que otras, como CDK2 y CDK3, no lo son. Además, las CDK transcripcionales, como la CDK7 en humanos, desempeñan funciones cruciales en el inicio de la transcripción mediante la fosforilación de la ARN polimerasa II (RNAPII), lo que indica el intrincado vínculo entre la regulación del ciclo celular y la gestión transcripcional. Esta expansión evolutiva de reguladores simples a enzimas multifuncionales subraya la importancia crítica de las CDK en las complejas redes reguladoras de las células eucariotas.

Personas notables

En 2001, los científicos Leland H. Hartwell, Tim Hunt y Sir Paul M. Nurse recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por su descubrimiento de reguladores clave del ciclo celular.

• Leland H. Hartwell (b. 1929): A través de estudios de levadura en 1971, Heartwell identificó genes cruciales para la división celular, destacando las etapas del ciclo celular y los puntos de control esenciales para prevenir la división celular cancerosa.
• Tim Hunt (b. 1943): A través de estudios de erizos marinos en la década de 1980, Hunt descubrió el papel de los ciclones en la regulación de las fases del ciclo celular a través de su síntesis cíclica y degradación.
• Señor Paul M. Nurse (b. 1949): A mediados de los años 70, los estudios de enfermera descubrieron el gen cdc2 en la levadura de fisión, que es crucial para la progresión del ciclo celular de la fase G1 a S y de la fase G2 a M. En 1987 identificó el gen correspondiente en humanos, CDK1, destacando la conservación de los mecanismos de control del ciclo celular a través de las especies.

CDK y ciclinas en el ciclo celular

CDK es una de las 800 proteínas quinasas humanas estimadas. Las CDK tienen un peso molecular bajo y se sabe que son inactivas por sí mismas. Se caracterizan por su dependencia de la subunidad reguladora, la ciclina. La activación de CDK también requiere modificaciones postraduccionales que involucran reacciones de fosforilación. Esta fosforilación ocurre típicamente en un residuo de treonina específico, lo que lleva a un cambio conformacional en la CDK que mejora su actividad quinasa. La activación forma un complejo ciclina-CDK que fosforila proteínas reguladoras específicas necesarias para iniciar pasos en el ciclo celular.

En las células humanas, la familia CDK comprende 20 miembros diferentes que desempeñan un papel crucial en la regulación del ciclo celular y la transcripción. Por lo general, se separan en CDK del ciclo celular, que regulan las transiciones del ciclo celular y la división celular, y CDK transcripcionales, que median la transcripción de genes. CDK1, CDK2, CDK3, CDK4, CDK6 y CDK7 están directamente relacionados con la regulación de los eventos del ciclo celular, mientras que CDK7 – 11 están asociados con la regulación transcripcional. Diferentes complejos de ciclina-CDK regulan diferentes fases del ciclo celular, conocidas como fases G0/G1, S, G2 y M, y presentan varios puntos de control para mantener la estabilidad genómica y garantizar una replicación precisa del ADN. Los complejos ciclina-CDK de la fase anterior del ciclo celular ayudan a activar los complejos ciclina-CDK en la fase posterior.

Estructura y activación de CDK

Las quinasas dependientes de ciclina (CDK) constan principalmente de una configuración de dos lóbulos, que es característica de todas las quinasas en general. Las CDK tienen características específicas en su estructura que juegan un papel importante en su función y regulación.

1. Lóbulo N-terminal (N-lobe): En esta parte, se encuentra el elemento inhibidor conocido como G-loop rico en glicina. El elemento inhibidor se encuentra dentro de las hojas beta en este lóbulo N-terminal. Además, hay un helix conocido como el C-helix. Este helix contiene la secuencia PSTAIRE en CDK1. Esta región desempeña un papel crucial en la regulación de la unión entre las cinasas dependientes de la ciclina (CDKs) y las ciclinas.
2. Lóbulo C-terminal (C-lobe): Esta parte contiene α-helices y el segmento de activación, que se extiende desde el motivo DFG (D145 en CDK2) al motivo APE (E172 en CDK2). Este segmento también incluye un residuo sensible a la fosforilación (T160 en CDK2) en el llamado T-loop. El segmento de activación en el C-lobe sirve como plataforma para la unión del fósforo-aceptor Ser/Tr región de sustratos.

Unión de ciclina

El sitio activo, o sitio de unión de ATP, en todas las quinasas es una hendidura ubicada entre un lóbulo amino terminal más pequeño y un lóbulo carboxi terminal más grande. La investigación sobre la estructura de la CDK2 humana ha demostrado que las CDK tienen un sitio de unión de ATP especialmente adaptado que puede regularse mediante la unión de ciclina. La fosforilación por la quinasa activadora de CDK (CAK) en Thr160 en el bucle T ayuda a aumentar la actividad del complejo. Sin ciclina, un bucle flexible conocido como bucle de activación o bucle en T bloquea la hendidura, y la posición de varios aminoácidos clave no es óptima para la unión del ATP. Con la ciclina, dos hélices alfa cambian de posición para permitir la unión del ATP. Uno de ellos, la hélice L12 situada justo antes del bucle T en la secuencia primaria, se transforma en una cadena beta y ayuda a reorganizar el bucle T para que ya no bloquee el sitio activo. La otra hélice alfa, conocida como hélice PSTAIRE, se reorganiza y ayuda a cambiar la posición de los aminoácidos clave en el sitio activo.

Existe una especificidad considerable en la forma en que la ciclina se une a CDK. Además, la unión de ciclina determina la especificidad del complejo ciclina-CDK para ciertos sustratos, destacando la importancia de distintas vías de activación que confieren especificidad de unión a ciclina en CDK1. Esto ilustra la complejidad y el ajuste en la regulación del ciclo celular mediante la unión selectiva y la activación de CDK por sus respectivas ciclinas.

Las ciclinas pueden unirse directamente al sustrato o localizar la CDK en un área subcelular donde se encuentra el sustrato. El sitio de unión de RXL fue crucial para revelar cómo las CDK mejoran selectivamente la actividad hacia sustratos específicos al facilitar el acoplamiento del sustrato. La especificidad de sustrato de las ciclinas S la imparte el lote hidrofóbico, que tiene afinidad por las proteínas del sustrato que contienen un motivo RXL (o Cy) hidrofóbico. Las ciclinas B1 y B2 pueden localizar CDK1 en el núcleo y el Golgi, respectivamente, a través de una secuencia de localización fuera de la región de unión a CDK.

Fosforilación

Para lograr una actividad quinasa completa, se requiere una fosforilación activadora en una treonina adyacente al sitio activo de CDK. La identidad de la quinasa activadora de CDK (CAK) que lleva a cabo esta fosforilación varía entre los diferentes organismos modelo. El momento de esta fosforilación también varía; en células de mamíferos, la fosforilación activadora ocurre después de la unión de ciclina, mientras que en células de levadura ocurre antes de la unión de ciclina. La actividad de CAK no está regulada por vías conocidas del ciclo celular, y es la unión de ciclina el paso limitante para la activación de CDK.

A diferencia de la fosforilación activadora, la fosforilación inhibidora de CDK es crucial para la regulación del ciclo celular. Varias quinasas y fosfatasas controlan su estado de fosforilación. Por ejemplo, la actividad de CDK1 está controlada por el equilibrio entre las quinasas WEE1, las quinasas Myt1 y la fosforilación de las fosfatasas Cdc25c. Wee1, una quinasa conservada en todos los eucariotas, fosforila CDK1 en Tyr 15. Myt1 puede fosforilar tanto la treonina (Thr 14) como la tirosina (Tyr 15). La fosforilación la realizan las fosfatasas Cdc25c, eliminando los grupos fosfato tanto de la treonina como de la tirosina. Esta fosforilación inhibidora ayuda a prevenir la progresión del ciclo celular en respuesta a eventos como el daño al ADN. La fosforilación no altera significativamente la estructura de CDK, pero reduce su afinidad por el sustrato, inhibiendo así su actividad. Para que el ciclo celular progrese, las fosfatasas Cdc25 deben eliminar estos fosfatos inhibidores para reactivar las CDK.

Inhibidores de CDK

Un inhibidor de la quinasa dependiente de ciclina (CKI) es una proteína que interactúa con un complejo de ciclina-CDK para inhibir la actividad de la quinasa, a menudo durante la fase G1 o en respuesta a señales externas o daños en el ADN. En las células animales, existen dos familias principales de CKI: la familia INK4 (p16, p15, p18, p19) y la familia CIP/KIP (p21, p27, p57). Las proteínas de la familia INK4 se unen específicamente e inhiben CDK4 y CDK6 mediante ciclinas de tipo D o CAK, mientras que la familia CIP/KIP previene la activación de los heterodímeros de ciclina CDK, interrumpiendo tanto la unión de ciclina como la actividad de la quinasa. Estos inhibidores tienen un KID (dominio inhibidor de quinasa) en el extremo N, lo que facilita su unión a ciclinas y CDK. Su función principal ocurre en el núcleo, sostenida por una secuencia C-terminal que permite su translocación nuclear.

En levaduras y Drosophila, los CKI son potentes inhibidores de S- y M-CDK, pero no inhiben las G1/S-CDK. Durante G1, los niveles altos de CKI evitan que los eventos del ciclo celular ocurran fuera de orden, pero no impiden la transición a través del punto de control de Inicio, que se inicia a través de G1/S-CDK. Una vez que se inicia el ciclo celular, la fosforilación por las primeras G1/S-CDK conduce a la destrucción de las CKI, aliviando la inhibición en las transiciones posteriores del ciclo celular. En las células de mamíferos, la regulación CKI funciona de manera diferente. La proteína p27 de mamífero (Dacapo en Drosophila) inhibe las G1/S- y S-CDK, pero no inhibe las S- y M-CDK.

Los métodos de inhibición basados en ligandos implican el uso de pequeñas moléculas o ligandos que se unen específicamente a CDK2, que es un regulador crucial del ciclo celular. Los ligandos se unen al sitio activo de CDK2, bloqueando así su actividad. Estos inhibidores pueden imitar la estructura del ATP, compitiendo por el sitio activo y previniendo la fosforilación de proteínas necesaria para la progresión del ciclo celular, o unirse a sitios alostéricos, alterando la estructura de CDK2 para disminuir su eficiencia.

Subunidades CDK (CKS)

Las CDK son esenciales para el control y regulación del ciclo celular. Están asociados con pequeñas subunidades reguladoras (CKS). En las células de mamíferos se conocen dos CKS: CKS1 y CKS2. Estas proteínas son necesarias para el correcto funcionamiento de las CDK, aunque aún no se conocen del todo sus funciones exactas. Se produce una interacción entre CKS1 y el lóbulo carboxi terminal de las CDK, donde se unen. Esta unión aumenta la afinidad del complejo ciclina-CDK por sus sustratos, especialmente aquellos con múltiples sitios de fosforilación, contribuyendo así a la promoción de la proliferación celular.

Activadores sin ciclina

Ciclinas virales

Los virus pueden codificar proteínas con homología de secuencia con las ciclinas. Un ejemplo muy estudiado es la ciclina K (o ciclina v) del virus del herpes del sarcoma de Kaposi (ver Sarcoma de Kaposi), que activa CDK6. El complejo vCyclin-CDK6 promueve una transición acelerada de la fase G1 a la fase S en la célula mediante la fosforilación de pRb y la liberación de E2F. Esto conduce a la eliminación de la inhibición de la actividad enzimática de la ciclina E-CDK2. Está demostrado que vCyclin contribuye a promover la transformación y la tumorigénesis, principalmente a través de su efecto sobre la fosforilación de p27 pSer10 y el secuestro citoplasmático.

Activadoras de CDK5

Dos tipos de proteínas, p35 y p39, responsables de aumentar la actividad de CDK5 durante la diferenciación neuronal en el desarrollo posnatal. p35 y p39 desempeñan un papel crucial en un mecanismo único para regular la actividad de CDK5 en el desarrollo neuronal y la formación de redes. La activación de CDK con estos cofactores (p35 y p39) no requiere fosforilación del bucle de activación, lo cual es diferente de la activación tradicional de muchas otras quinasas. Esto resalta la importancia de activar la actividad CDK5, que es fundamental para el desarrollo neuronal adecuado, la formación de sinapsis y la columna dendrítica, así como en respuesta a eventos epilépticos.

RINGO/Velocidad

Las proteínas del grupo RINGO/Speedy representan un grupo destacado entre las proteínas que no comparten homología de secuencia de aminoácidos con la familia de las ciclinas. Desempeñan un papel crucial en la activación de las CDK. Identificadas originalmente en Xenopus, estas proteínas se unen principalmente a CDK1 y CDK2 y las activan, a pesar de carecer de homología con las ciclinas. Lo que es particularmente interesante es que las CDK activadas por RINGO/Speedy pueden fosforilar sitios diferentes a aquellos a los que apuntan las CDK activadas por ciclina, lo que indica un modo de acción único para estos activadores de CDK que no son ciclina.

Importancia médica

CDK y cáncer

La desregulación de las CDK y las ciclinas altera la coordinación del ciclo celular, lo que las hace involucradas en la patogénesis de varias enfermedades, principalmente cánceres. Por tanto, los estudios de ciclinas y quinasas dependientes de ciclinas (CDK) son esenciales para avanzar en la comprensión de las características del cáncer. Las investigaciones han demostrado que las alteraciones en las ciclinas, las CDK y los inhibidores de CDK (CKI) son comunes en la mayoría de los cánceres e implican translocaciones cromosómicas, mutaciones puntuales, inserciones, deleciones, sobreexpresión de genes, mutaciones de cambio de marco, mutaciones sin sentido o errores de empalme.

La desregulación de la vía CDK4/6-RB es una característica común en muchos cánceres, a menudo como resultado de diversos mecanismos que inactivan el complejo ciclina D-CDK4/6. Varias señales pueden conducir a la sobreexpresión de ciclina D y mejorar la actividad de CDK4/6, contribuyendo a la tumorigénesis. Además, la vía CDK4/6-RB interactúa con la vía de señalización p53 a través de la transcripción p21CIP1, que puede inhibir los complejos de ciclina D-CDK4/6 y ciclina E-CDK2. Las mutaciones en p53 pueden desactivar el punto de control G1, promoviendo aún más la proliferación descontrolada.

Inhibidores de CDK y potencial terapéutico

Debido a su papel central en la regulación de la progresión del ciclo celular y la proliferación celular, las CDK se consideran objetivos terapéuticos ideales para el cáncer. Los siguientes inhibidores de CDK4/6 marcan un avance significativo en el tratamiento del cáncer, ya que ofrecen terapias dirigidas que son efectivas y tienen un perfil de efectos secundarios manejable.

1. Palbociclib, uno de los primeros inhibidores CDK4/6 aprobados por la FDA, se ha vuelto esencial en el tratamiento del cáncer de mama avanzado o metastásico de HR+/HER2, a menudo en combinación con terapia endocrina.
2. Ribociclib, que demuestra una eficacia similar al palbociclib, también está aprobado para el cáncer de mama avanzado de HR+/HER2 y ofrece beneficios para un paciente más joven.
3. Abemaciclib destaca por ser usable como monoterapia, además de tratamiento combinado, para ciertos pacientes con cáncer de mama HR+/HER2-. También ha mostrado eficacia en el tratamiento de pacientes con metástasis cerebral.
4. Trilaciclib ha demostrado su valor mejorando la calidad de vida de los pacientes durante el tratamiento del cáncer reduciendo el riesgo de supresión de mielos inducida por quimioterapia, un efecto secundario común que puede conducir a retrasos en el tratamiento y reducciones de dosis.

Desafíos y potencial futuro

Las complicaciones del desarrollo de un fármaco CDK incluyen el hecho de que muchas CDK no participan en el ciclo celular, pero sí en otros procesos como la transcripción, la fisiología neuronal y la homeostasis de la glucosa. Sin embargo, se necesita más investigación porque la alteración de la vía mediada por CDK tiene consecuencias potencialmente graves; Si bien los inhibidores de CDK parecen prometedores, hay que determinar cómo se pueden limitar los efectos secundarios para que sólo afecten a las células diana. Como tales enfermedades actualmente se tratan con glucocorticoides. La comparación con los glucocorticoides sirve para ilustrar los beneficios potenciales de los inhibidores de CDK, suponiendo que sus efectos secundarios puedan abordarse o minimizarse de manera más específica.