Kinazy białkowe
Kinazy białkowe to nadrodzina białek enzymatycznych klasyfikowana jako fosfotransferazy (numer EC 2.7). Katalizują one transfer reszty fosforanowej z trifosforanu nukleozydu purynowego (ATP lub GTP) na specyficzne substraty białkowe. Zostały podzielone na cztery główne klasy, w oparciu o kryterium aminokwasu akceptorowego reakcji fosforylacji: serynowo/treoninowe, tyrozynowe, histydynowe (fosforylują również reszty lizyny i argininy) oraz asparaginianowo/glutaminianowe [1]. Istnieją również kinazy o podwójnej specyficzności – fosforylujące reszty seryny i treoniny, ale również tyrozyny, np. kinaza kinazy aktywowanej mitogenem.
Mechanizm reakcji fosforylacji polega na ataku nukleofiowym tlenu grupy hydroksylowej na g-fosforan ATP. Fosforylowana grupa hydroksylowa jest aktywowana przez katalityczną zasadową resztę asparaginianu. Fosforylacja jest stabilną modyfikacją, powodującą znaczące zmiany w strukturze, aktywności oraz lokalizacji białek substratowych kinaz na drodze m.in.: allosterycznej regulacji czy tworzenia miejsca oddziaływania. Usunięcie reszty fosforanowej wymaga hudrolizy wiązania estrowego, które jest katalizowane przez fosfatazy białkowe. Zarówno kinazy, jak i fosfatazy białkowe charakteryzują się mniejszą lub większą specyficznością substratową. Około 30 % białek eukariotycznych ulega fosforylacji przez kinazy białkowe.
Wszystkie kinazy białkowe łączy homologia katalitycznej domeny kinazowej zbudowanej z 250-300 reszt aminokwasowych oraz struktura dwupłatowa cząsteczki enzymu [2]. Struktura oraz aminokwasy katalityczne domeny kinazowej są wysoce konserwowane. Centrum aktywne enzymu utworzone jest przez reszty aminokwasowe pochodzące od obydwu płatów: N-terminalnego i C-terminalnego, a także rejonu zawiasowego. Płat N-terminalny składa się z pięciu antyrównoległych β-wstążek (β1-β5) i jednej α-helisy (αC), natomiast płat C-terminalny zbudowany jest głównie z α-helis. Domenę kinazową podzielono na dwanaście subdomen pierwszorzędowych elementów struktury [2, 3]. Sudomeny I, II i III kotwiczą reszty fosforanowe ATP. Subdomena I zawiera pętlę glicynową (tzw. pętla P) z konserwowanym motywem GXGXXG, która uczestniczy w wiązaniu cząsteczki ATP. Subdomena V tworzy hydrofobową kieszeń otaczającą pierścień adeniny. Subdomena VI zawiera pętlę katalityczną z katalityczną resztą asparaginianu. Subdomena VII obejmuje wysoce konserwowany tryplet DFG, będący częścia pętli aktywacyjnej, chelatujący kationy magnezu. Aminokwasy subdomen VIII (z wysoce konserwowanym motywem APE), X oraz XI uczestniczą w rozpoznaniu i wiązaniu substratów białkowych. Zgodnie z analizą przeprowadzoną przez Hanksa i Huntera w 1995 roku w całej nadrodzinie wyróżnić możemy 12 niezmiennych aminokwasów (numeracja aminokwasów dla domeny kinazowej PKA): Gly50 oraz Gly52 w subdomenie I, Lys72 w subdomenie II, Glu91 w subdomenie III, Asp166 i Asn171 w subdomenie VI, Asp184 i Gly186 w subdomenie VII, Glu208 w subdomenie VIII, Asp220 i Gly225 w subdomenie IX, a także Arg280 w subdomenie XI.
Kinazy białkowe kodowane są przez ca. 1.7% wszystkich ludzkich genów (518 genów, [4]). Odgrywają one kluczową rolę w fundamentalnych procesach komórkowych takich jak: cykl komórkowy, podziały komórkowe, różnicowanie czy apoptoza.
Przykłady kinaz białkowych serynowo/treoninowych (EC 2.7.11) to: kinazy AGC (np.: PKA – kinaza białkowa regulowana cAMP, PKG – kinaza białkowa reglowana cGMP, PKB (znana również jako AKT), PKC – kinazy białkowe zależne od wapnia i kalmoduliny);
- MAPK – kinazy białkowe aktywowane mitogenem;
- CK2 – kinaza kazeiny II;
- CDK – kinazy białkowe zależne od cyklin;
- kinazy białkowe Mos/Raf;
- kinaza rybosomalnego białka S6;
- kinaza syntazy glikogenu (GSK);
- kinazy białek GPCR (GRK lub GPCRK);
- kinaza receptora b-adrenergicznego.
Białka o aktywności kinaz tyrozynowych (EC 2.7.10) w znakomitej większości uczestniczą w przesyłaniu sygnałów zewnątrzkomórkowych. Dzielone są na dwie główne klasy: receptory transmembranowe o aktywności kinaz tyrozynowych RTK (receptor tyrosine kinases) oraz kinazy tyrozynowe związane z receptorami (cytoplazmatyczne kinazy tyrozynowe). Przykłady RTK to: EGFR – receptor naskórkowego czynnika wzrostu (zwany również ERBB); PDGFR – receptor płytkopochodnego czynnika wzrostu; FGFR – receptor czynnika wzrostu fibroblastów; VEGFR – receptor śródbłonkowego czynnika wzrostu (KDL, FLT1, FLT4); receptor TGFb; TRK – receptory neuronalnych czynników wzrostu (neurotrofin); receptor insuliny; IGFR - receptor insulinopodobnego czynnika wzrostu. Natomiast przykłady tyrozynowych kinaz związanych z receptorami włączają: kinaza Abelsona (ABL); kinazy Janusa (JAK); kinazy Src; kinaza ogniskowo-adhezyjna FAK (PTK2); kinaza Brutona BTK; kinaza C-Src (CSK); ZAP70 – kinaza o ciężarze 70 kDa związana z łańcuchem zeta CD3 kompleksu receptora T (TCR).
Kinazy białkowe w terapii ukierunkowanej molekularnie
Połowa znanych ludzkich genów kinaz jest powiązana z nowotworami i innymi chorobami [5, 6]. W konsekwencji kinazy białkowe w krótkim czasie stały się atrakcyjnym celem terapii przeciwnowotworowych. Kinazy białkowe są obecnie drugą co do ważności, zaraz po receptorach sprzężonych z białkami G (GPCR, ang. G-protein coupled receptors), grupa białek stanowiących cel ukierunkowanych molekularnie terapii przeciwnowotworowych [7]. Ponad 20 tyrozynowych kinaz białkowych znajduje się już na etapie badań onkologicznych nad możliwością wykorzystania ich jako cele molekularne [8]. Przykłady najważniejszych kinaz wykorzystywanych już jako cele molekularne to: BCR-ABL (ang. breakepoint cluster region - Abelson), rodzina EGFR (ang. epidermal growth factor receptor) czy VEGFR (ang. vascular endothelial growth factor receptor) [9]. Hamowanie aktywności domeny kinazowej okazało się cenną strategią walki z chorobami nowotworowymi, czego dowodzi kliniczny sukces kilku niskocząsteczkowych inhibitorów kinaz (Tabela 1). W wielu ośrodkach na świecie poszukiwane są związki niskocząsteczkowe, które mogłyby służyć jako efektywne inhibitory tych enzymów, a w perspektywie również leki przeciwnowotworowe. W ostatnich latach ponad 100 niskocząsteczkowych związków znalazło się na różnych etapach testów klinicznych [10, 11]. Ponad 20 z nich to blokery kieszeni ATP enzymu [8]. Kilka inhibitorów kinaz zostało zatwierdzonych przez Agencję Żywności i Leków (US Food and Drug Administration) jako leki przeciwnowotworowe [12, 13, 14, 15].
Tabela 1: Niskocząsteczkowe inhibitory kinaz białkowych jako leki przeciwnowotworowe
Literatura
1. Gerhard Krauss, Biochemistry of Signal Transduction and Regulation. 4th Edition. Copyright 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, Weinheim 2. Hanks, S.K.; Hunter, T. Protein kinases 6. The eukaryotic protein kinase superfamily: kinase (catalytic) domain structure and classification. The FASEB Journal, 1995, 9 (8), 576-596. 3. Johnson, L.N.; Lowe, E.D.; Noble, M.E.M. The structural basis for substrate recognition and control by protein kinases. FEBS Lett., 1998, 430 (1-2), 1-11. 4. Manning, G.; Whyte, D.B.; Martinez, R.; Hunter, T.; Sudarsanam, S. The Protein Kinase Complement of the Human Genome. Science, 2002, 298 (5600), 1912-1934. 5. Al-Obeidi, F.A.; Wu, J.J.; Lam, K.S. Protein tyrosine kinases: Structure, substrate specificity, and drug discovery. Peptide Science, 1998, 47 (3), 197-223. 6. Knuutila, S.; Björkqvist, A.M.; Autio, K.; Tarkkanen, M.; Wolf, M.; Monni, O.; Szymanska, J.; Larramendy, M.L.; Tapper, J.; Pere, H.; El-Rifai, W.; Hemmer, S.; Wasenius, V.M.; Vidgren, V.; Zhu, Y. DNA copy number amplifications in human neoplasms: review of comparative genomic hybridization studies. Am. J. Pathol., 1998, 152 (5), 1107-1123. 7. Cohen, P. Protein kinases - the major drug targets of the twenty-first century? Nat Rev Drug Discov, 2002, 1 (4), 309-315. 8. Traxler, P. Tyrosine kinases as targets in cancer therapy - successes and failures. Expert Opinion on Therapeutic Targets, 2003, 7 (2), 215-234. 9. Levitzki, A. Protein Kinase Inhibitors as a Therapeutic Modality. Accounts of Chemical Research, 2003, 36 (6), 462-469. 10. Li, R.; Stafford, J.A. Kinase Inhibitor Drugs. Wiley 2009. 11. Bollag, G.; Tsai, J.; Zhang, J.; Zhang, C.; Ibrahim, P.; Nolop, K.; Hirth, P. Vemurafenib: the first drug approved for BRAF-mutant cancer. Nat Rev Drug Discov, 2012, 11 (11), 873-886. 12. Noble, M.E.M.; Endicott, J.A.; Johnson, L.N. Protein Kinase Inhibitors: Insights into Drug Design from Structure. Science, 2004, 303 (5665), 1800-1805. 13. Giordano, S.; Petrelli, A. From Single- to Multi-Target Drugs in Cancer Therapy: When Aspecificity Becomes an Advantage. Curr. Med. Chem., 2008, 15 (5), 422-432. 14. Janne, P.A.; Gray, N.; Settleman, J. Factors underlying sensitivity of cancers to small-molecule kinase inhibitors. Nat Rev Drug Discov, 2009, 8 (9), 709-723. 15. Zhang, J.; Yang, P.L.; Gray, N.S. Targeting cancer with small molecule kinase inhibitors. Nat Rev Cancer, 2009, 9 (1), 28-39.