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Cyclin-abhängige Kinasen: Motoren und Schalter des Zellzyclus Dr. F. Neuschäfer-Rube.

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Präsentation zum Thema: "Cyclin-abhängige Kinasen: Motoren und Schalter des Zellzyclus Dr. F. Neuschäfer-Rube."—  Präsentation transkript:

1 Cyclin-abhängige Kinasen: Motoren und Schalter des Zellzyclus Dr. F. Neuschäfer-Rube

2 M S Der Zellzyklus

3 S = DNA-Synthese (Replikation) Der Zellzyklus M

4 M = Mitose Verteilung der Chromosomen S = DNA-Synthese Der Zellzyklus

5 Der Zellzyklus: Teilschritte der Mitose ProphaseMetaphaseAnaphaseTelophase

6 M = Mitose S = DNA-Synthese G1 Der Zellzyklus G2

7 S = DNA-Synthese G2 = Kontrolle der DNA-Synthese Der Zellzyklus M = Mitose G1

8 M = Mitose S = DNA-Synthese G1 = Zellwachstum Der Zellzyklus G2 = Kontrolle der DNA-Synthese

9 M = Mitose S = DNA-Synthese G o = Ruhezustand z.B. ausdifferenzierte Zellen G1 = Zellwachstum G2 = Kontrolle der DNA-Synthese Der Zellzyklus

10 M = Mitose S = DNA-Synthese G o = Ruhezustand G1 = Zellwachstum G2 = Kontrolle der DNA-Synthese Kontrollpunkte des Zellzyklus Wie wird der korrekte Abblauf des Zellzyklus kontrolliert?

11 M = Mitose S = DNA-Synthese G o = Ruhezustand G1 = Zellwachstum G2 = Kontrolle der DNA-Synthese Kontrollpunkte des Zellzyklus Wie wird der korrekte Abblauf des Zellzyklus kontrolliert? Kontrollpunkte

12 M = Mitose S = DNA-Synthese G o = Ruhezustand G1 = Zellwachstum G2 = Kontrolle der DNA-Synthese Kontrollpunkte des Zellzyklus Restriktionspunkt intrinsisch: Zellgröße erreicht?

13 M = Mitose S = DNA-Synthese G o = Ruhezustand G1 = Zellwachstum G2 = Kontrolle der DNA-Synthese Kontrollpunkte des Zellzyklus Restriktionspunkt intrinsisch: Zellgröße erreicht? extern: Wachstumsfaktoren?

14 M = Mitose S = DNA-Synthese G o = Ruhezustand G1 = Zellwachstum G2 = Kontrolle der DNA-Synthese Kontrollpunkte des Zellzyklus G2-Kontrolle Replikation vollständig? DNA intakt? Restriktionspunkt intrinsisch: Zellgröße erreicht? extern: Wachstumsfaktoren?

15 M = Mitose S = DNA-Synthese G o = Ruhezustand G1 = Zellwachstum G2 = Kontrolle der DNA-Synthese Kontrollpunkte des Zellzyklus G2-Kontrolle Replikation vollständig? DNA intakt? Metaphasen-Kontrolle korrekte Chromosomenanlagerung? Restriktionspunkt intern: Zellgröße erreicht? extern: Wachstumsfaktoren?

16 M = Mitose S GoGo G1 G2 Kontrollpunkte des Zellzyklus Durch welche biochemischen Faktoren wird der Übergang der Zellzyklusphasen reguliert?

17 Leland H Hartwell Identifizierung von Zellzyklusregulatoren: CDKs

18 25°C 35°C Identifizierung Temperatur-sensitiver CDC (Cell-Division-Cycle) Mutanten Modell: Saccharomyces sereviciae Mutagenisierte Zellen Identifizierung von Zellzyklusregulatoren: CDKs

19 Identifizierung Temperatur-sensitiver CDC (Cell-Division-Cycle) Mutanten Modell: Saccharomyces sereviciae Identifizierung von Zellzyklusregulatoren: CDKs 25°C 35°C nicht CDC-Mutanten Mutagenisierte Zellen Knospung Eintritt in den Zellzyklus

20 Identifizierung Temperatur-sensitiver CDC (Cell-Division-Cycle) Mutanten von Saccharomyces sereviciae Identifizierung von Zellzyklusregulatoren: CDKs 25°C 35°C CDC-START-Mutante nicht CDC-Mutante Mutagenisierte Zellen kein Eintritt in den Zellzyklus

21 35°C Identifizierung des CDC-START Gens Wt CDC-START-Gen Identifizierung von Zellzyklusregulatoren: CDKs CDC-START-Mutante Wt Gen X

22 35°C Identifizierung des CDC-START-Gens Wt CDC-START-Gen Identifizierung von Zellzyklusregulatoren: CDKs CDC-START-Mutante Wt Gen X Cyclin-abhängige Kinase (CDK) Analyse

23 Entdeckung Cyclin-abhängiger Kinasen (CDKs): Medizin Nobelpreis 2001 Leland H Hartwell Tim Hunt Paul Nurse CDKs der Hefe Cycline des Seeigels

24 Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs): Heterodimere Proteine C.L. Card et al., EMBO Journal 2000 katalytische Untereinheit: CDKregulatorische Untereinheit: Cyclin

25 Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs): Heterodimere Proteine C.L. Card et.al., EMBO Journal 2000 katalytische Untereinheit: CDK - Serin/Threonin-Kinasen - Hefe: eine CDK - Säugetiere: CDK1 - CDK7 - hohe Identitität - konservierte Cyclin-Bindungsstelle regulatorische Untereinheit: Cyclin

26 C.L. Card et.al., EMBO Journal 2000 katalytische Untereinheit: CDK - Serin/Threonin-Kinasen - Hefe: eine CDK - Säugetiere: CDK1 - CDK7 - hohe Identität - konservierte Cyclin-Bindungsstelle - regulatorische Untereinheit: Cyclin - Cyclin A-H - heterogene Proteinfamilie - zyklische Konzentrationsänderungen im Zellzyklus Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs): Heterodimere Proteine

27 M S G1 G2 CDK/Cyclin-Komplexe im Wirbeltier-Zellzyklus Restriktionspunkt GoGo CDK2/CyclinD CDK4/CyclinD CDK6/CyclinD CDK2/CyclinE G1/S-Phasen Übergang

28 M S G1 G2 CDK/Cyclin-Komplexe im Wirbeltier-Zellzyklus Restriktionspunkt GoGo CDK2/CyclinE CDK2/CyclinA G1/S-Phasen Übergang CDK2/CyclinD CDK4/CyclinD CDK6/CyclinD

29 M S G1 G2 CDK/Cyclin-Komplexe im Wirbeltier-Zellzyklus Restriktionspunkt GoGo CDK2/CyclinE CDK1/CyclinB G1/S-Phasen Übergang G2/M-Phasen Übergang CDK2/CyclinD CDK4/CyclinD CDK6/CyclinD CDK2/CyclinA

30 CDKs: Motoren des Zellzyklus Welche "Motorwirkung" haben CDKs im Zellzyklus ? Durch die Phosphorylierung welcher Substrate werden Zellzyklusphasen eingeleitet ?

31 CDK Substrate: Initiation der S-Phase Bedeutung von CDKs bei der Initiation der S-Phase

32 CDK Substrate: Initiation der S-Phase NH2--COOHA B Retinoblastom-Protein (Rb) - Schlüsselsubstrat der S-Phase - nucleäres Protein, 110 kDa

33 CDK Substrate: Initiation der S-Phase NH2--COOHA B Retinoblastom-Protein (Rb) - Schlüsselsubstrat der S-Phase - nucleäres Protein, 110 kDa Bindung des Transkriptionsfaktors E2F

34 CDK Substrate: Initiation der S-Phase NH2--COOHA B E2F: zentraler Transkriptionsfaktor bei der Induktion von S-Phase Genen Retinoblastom-Protein (Rb) - Schlüsselsubstrat der S-Phase - nucleäres Protein, 110 kDa Bindung des Transkriptionsfaktors E2F

35 CDK Substrate: Initiation der S-Phase NH2--COOHA B Bindung des Transkriptionsfaktors E2F PPPPPPPPPP Retinoblastom-Protein (Rb) - Schlüsselsubstrat der S-Phase - nucleäres Protein, 110 kDa E2F: zentraler Transkriptionsfaktor bei der Induktion von S-Phase Genen

36 CDK Substrate: Initiation der S-Phase Rb E2F Rb Repression E2F-kontrollierter Gene

37 CDK Substrate: Initiation der S-Phase Rb E2F Induktion E2F-kontrollierter Gene PPP CDK 2 Cyclin E Rb E2F Rb Repression E2F-kontrollierter Gene

38 E2F: Initiator der S-Phase E2F E2F-kontrollierter Gene DNA-Pol I dNTP-Synth. CDK 2 Cyclin E Rb PPP

39 E2F: Initiator der S-Phase E2F E2F-kontrollierter Gene Cyclin E E2F DNA-Pol I dNTP-Synth. CDK 2 Cyclin E Rb PPP positiv autoregulatorischer Verstärkungsmechanismus!

40 E2F: Initiator der S-Phase E2F E2F-kontrollierter Gene Cyclin E E2F DNA-Pol I dNTP-Synth. CDK 2 Cyclin E Rb PPP positiv autoregulatorischer Verstärkungsmechanismus! "Lawinenhafter" Übergang über den Restriktionspunkt S-Phase

41 CDK Substrate: Mitose Bedeutung von CDKs bei der Mitose

42 CDK Substrate: Mitose Ein Teilschritt der Mitose ist die Auflösung der Kernmembran Interphase Mitose

43 CDK Substrate: Mitose ChromatinKernlamina innere Kernmembran

44 CDK Substrate: Mitose ChromatinKernlamina Desintegration der Kernlamina Auflösen der Kernmembran Mitose

45 CDK Substrate: Mitose ChromatinKernlamina CDK 1 Cyclin B Desintegration der Kernlamina Auflösen der Kernmembran Mitose ATP

46 CDK Substrate: Mitose ChromatinKernlamina CDK 1 Cyclin B Lamintetramer Desintegration der Kernlamina Auflösen der Kernmembran Mitose Laminnetzwerk ATP

47 CDK Substrate: Mitose ChromatinKernlamina CDK 1 Cyclin B Lamintetramer -PP- -PP- phosphorylierte Lamindimere Desintegration der Kernlamina Auflösen der Kernmembran Laminnetzwerk Mitose ATP

48 M S G1 G2 CDK/Cyclin-Komplexe im Wirbeltier-Zellzyklus Restriktionspunkt GoGo CDK2/CyclinE CDK1/CyclinB G1/S-Phasen Übergang G2/M-Phasen Übergang CDK2/CyclinD CDK4/CyclinD CDK6/CyclinD CDK2/CyclinA Lamin-P Rb-P E2F

49 CDKs: Schalter des Zellzyklus Wie wird die Aktivität der CDKs im Zellzyklus an- und ausgeschaltet?

50 Regulation der CDK-Aktivität CDK inaktiv

51 Regulation der CDK-Aktivität: Cyclinkonzentration inaktiv CDK Cyclin CDK inaktiv

52 Regulation der CDK-Aktivität: Cyclinkonzentration inaktiv CDK Cyclin CDK inaktiv P nur CDK-Cyclin Komplexe sind Substrate Threonin-Kinase aktiv T160 P CDK Cyclin P ATP

53 Regulation der CDK-Aktivität: Cyclinkonzentration inaktiv CDK Cyclin CDK inaktiv P Cyclinkonzentration aktiv T160 P CDK Cyclin ATP

54 Wie wird die Konzentration der Cycline im Zellzyklus reguliert? Regulation der CDK-Aktivität: Cyclinkonzentration Cyclin

55 Wie wird die Konzentration der Cycline im Zellzyklus reguliert? Regulation der CDK-Aktivität: Cyclinkonzentration Neusynthese durch transkriptionelle Induktion Cyclin

56 Regulation der Cyclinkonzentration: transkriptionelle Induktion P Beispiel: Induktion durch Wachstumsfaktorsignalketten

57 Regulation der Cyclinkonzentration: transkriptionelle Induktion P Beispiel: Induktion durch Wachstumsfaktorsignalketten WF-R WF

58 Regulation der Cyclinkonzentration: transkriptionelle Induktion P WF-R WF TF-OH TF-O-P Beispiel: Induktion durch Wachstumsfaktorsignalketten Proteinkinasen

59 Regulation der Cyclinkonzentration: transkriptionelle Induktion P WF-R WF TF-OH TF-O-P immediate early genes Beispiel: Induktion durch Wachstumsfaktorsignalketten Proteinkinasen

60 Regulation der Cyclinkonzentration: transkriptionelle Induktion P WF-R WF TF-OH TF-O-P immediate early genes c-jun/c-fos (TF) Beispiel: Induktion durch Wachstumsfaktorsignalketten Proteinkinasen

61 Regulation der Cyclinkonzentration: transkriptionelle Induktion P WF-R WF TF-OH TF-O-P immediate early genes c-jun/c-fos (TF) delayed genes c-jun c-fos Beispiel: Induktion durch Wachstumsfaktorsignalketten Proteinkinasen

62 Regulation der Cyclinkonzentration: transkriptionelle Induktion P WF-R WF TF-OH TF-O-P immediate early genes c-jun/c-fos (TF) delayed genes Cyclin D Cyclin E CDK2 CDK4 c-jun c-fos Beispiel: Induktion durch Wachstumsfaktorsignalketten Proteinkinasen

63 Regulation der Cyclinkonzentration: transkriptionelle Induktion P WF-R WF TF-OH TF-O-P immediate early genes c-jun/c-fos (TF) delayed genes Restriktionspunkt (G1 S-Phase) c-jun c-fos Beispiel: Induktion durch Wachstumsfaktorsignalketten Cyclin D Cyclin E CDK2 CDK4 Proteinkinasen

64 Wie wird die Konzentration der Cycline im Zellzyklus reguliert? Regulation der CDK-Aktivität: Cyclinkonzentration Neusynthese durch trankriptionelle Induktion Cyclin Restriktionspunkt (G1 S-Phase) Abbau durch Proteolyse

65 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau Beispiel: Regulation der CDK1-Aktivität durch Abbau von Cyclin B Metaphase

66 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau Beispiel: Regulation der CDK1-Aktivität durch Abbau von Cyclin B Metaphase

67 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau Beispiel: Regulation der CDK1-Aktivität durch Abbau von Cyclin B Abbau von CyclinB Metaphase

68 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau NH 2 COOH Cyclin A,B Destruction-Box

69 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau NH 2 COOH Cyclin A,B Destruction-Box NH 2 COOH Ubiquitin

70 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau NH 2 COOH Cyclin A,B Destruction-Box NH 2 COOH Ubiquitin Anaphase-promoting-complex (APC)

71 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau NH 2 COOH Cyclin A,B Destruction-Box NH 2 COOH Ubiquitin Markierung für proteolytischen Abbau Anaphase-promoting-complex (APC)

72 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau NH 2 COOH Proteasom Abbau NH 2 COOH Cyclin A,B Destruction-Box NH 2 COOH Ubiquitin Markierung für proteolytischen Abbau Anaphase-promoting-complex (APC)

73 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau Wie wird der proteolytische Abbau von Cyclin B reguliert?

74 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau CDK1 Cyclin B G1-Phase

75 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau Cyclin B Synthese Cyclin B S, G2-Phase G1-Phase CDK1 APC inaktiv

76 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau CDK1 Cyclin B Synthese P Metaphase Cyclin B APC P inaktivaktiv S, G2-Phase G1-Phase CDK1

77 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau CDK1 Cyclin B Synthese P Metaphase Cyclin B APC P inaktivaktiv S, G2-Phase G1-Phase CDK1 ATP

78 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau CDK1 Cyclin B CDK1 Cyclin B Synthese P Polyubiquitinylierung Metaphase Cyclin B APC P inaktivaktiv Proteasom Abbau S, G2-Phase G1-Phase CDK1 ATP

79 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau CDK1 Cyclin B CDK1 Cyclin B Synthese P Polyubiquitinylierung Metaphase Anaphase Cyclin B APC P inaktivaktiv Proteasom Abbau S, G2-Phase G1-Phase CDK1 ATP

80 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau CDK1 Cyclin B CDK1 Cyclin B Synthese P Polyubiquitinylierung Metaphase Anaphase Cyclin B APC P inaktivaktiv Proteasom Abbau S, G2-Phase G1-Phase CDK1 negativ autoregulatorischer Mechanismus ATP

81 Regulation der CDK-Aktivität: Cyclinkonzentration Neusynthese durch transkriptionelle Induktion Cyclin Restriktionspunkt G1 S-Phase Abbau durch Proteolyse Metaphase Anaphase Abschluss der Mitose WachstumsfaktorenAutoregulation

82 Regulation der CDK-Aktivität: Phosphorylierung inaktiv CDK Cyclin aktiv T160 P CDK Cyclin CDK Cyclin CDK T14 Y15 P P inaktiv P T160 P Threonin/Tyrosin- Kinase Cyclinkonzentration ATP

83 inaktiv CDK Cyclin aktiv T160 P CDK Cyclin CDK Cyclin CDK T14 Y15 P P inaktiv Threonin/Tyrosin Phosphatase P T160 P Regulation der CDK-Aktivität: Dephosphorylierung Cyclinkonzentration Threonin/Tyrosin- Kinase P Pi ATP

84 Regulation der CDK-Aktivität: Dephosphorylierung Wie wird die Aktivierung der CDK durch Dephosphorylierung reguliert?

85 CDK1 CyclinB T14 Y15 P P inaktiv P T160 P Regulation der CDK-Aktivität: Dephosphorylierung von CDK1 G2-Phase

86 CDK1 CyclinB T14 Y15 P P inaktiv P T160 P Regulation der CDK-Aktivität: Dephosphorylierung von CDK1 CDK1 CyclinB aktiv T160 P Threonin/Tyrosin Phosphatase G2-Phase inaktiv G2-Phase Pi

87 Regulation der CDK-Aktivität: Dephosphorylierung P P Threonin/Tyrosin Phosphatase aktiv Threonin/Tyrosin Phosphatase inaktiv CDK1 CyclinB T14 Y15 P P inaktiv P T160 P CDK1 CyclinB aktiv T160 P G2-Phase Mitose G2-Phase Mitose Pi

88 Regulation der CDK-Aktivität: Dephosphorylierung Aktivierung P P Threonin/Tyrosin Phosphatase aktiv Threonin/Tyrosin Phosphatase inaktiv CDK1 CyclinB T14 Y15 P P inaktiv T160 P CDK1 CyclinB aktiv T160 P P G2-Phase Mitose G2-Phase Mitose Pi ATP

89 Regulation der CDK-Aktivität: Dephosphorylierung Aktivierung P P Threonin/Tyrosin Phosphatase aktiv Threonin/Tyrosin Phosphatase inaktiv CDK1 CyclinB T14 Y15 P P inaktiv T160 P CDK1 CyclinB aktiv T160 P G2-Phase Mitose G2-Phase Mitose positiv autoregulatorischer Verstärkungsmechanismus Pi ATP

90 Regulation der CDK-Aktivität: Inhibitoren inaktiv CDK Cyclin aktiv T160 P CDK Cyclin T160 P CDK CKI CDK inaktiv Cyclin CKI P Cyclinkonzentration Phosphorylierung Dephosphorylierung CDK-Inhibitoren CDK Cyclin T14 Y15 P P inaktiv T160 P ATP Pi ATP

91 Regulation der CDK-Aktivität: Inhibitoren Beispiel: CKI p21 isosterische Hemmung durch Bindung im aktiven Zentrum CDK 2 Cyclin E CKI p21 G1 S-Phase

92 Regulation der CDK-Aktivität: Inhibitoren Wie wird die Konzentration von CKI p21 reguliert?

93 Regulation der CDK-Aktivität: Induktion des Inhibitors p21 p53 Transkriptionsfaktor, Tumorsupressor-Gen

94 Regulation der CDK-Aktivität: Induktion des Inhibitors p21 p53 CKI p21 Transkriptionsfaktor, Tumorsupressorgen

95 Regulation der CDK-Aktivität: Induktion des Inhibitors p21 p53 CKI p21 CDK 2 Cyclin E Transkriptionsfaktor, Tumorsupressorgen CKI p21

96 Regulation der CDK-Aktivität: Induktion des Inhibitors p21 p53 CKI p21 T1/2 = 30 min p53 Abbau Transkriptionsfaktor, Tumorsupressorgen CDK 2 Cyclin E CKI p21

97 Regulation der CDK-Aktivität: Induktion des Inhibitors p21 p53 CKI p21 T1/2 = 30 min p53 Abbau DNA Schäden T1/2 = 150 min Transkriptionsfaktor, Tumorsupressorgen CDK 2 Cyclin E CKI p21

98 Regulation der CDK-Aktivität: Induktion des Inhibitors p21 p53 CKI p21 T1/2 = 30 min p53 Abbau DNA Schäden T1/2 = 150 min Transkriptionsfaktor, Tumorsupressorgen CDK 2 Cyclin E CKI p21 G1-Phasen Arrest

99 Regulation der CDK-Aktivität: Induktion des Inhibitors p21 p53 CKI p21 T1/2 = 30 min p53 Abbau DNA Schäden T1/2 = 150 min Transkriptionsfaktor, Tumorsupressorgen CDK 2 Cyclin E CKI p21 Zeit für DNA-Reparatur vor der Replikation G1-Phasen Arrest

100 Regulation der CDK-Aktivität: Übersicht inaktiv CDK Cyclin aktiv T160 P CDK Cyclin CDK inaktiv P Cyclinkonzentration P G1 SM G1 ATP

101 Regulation der CDK-Aktivität: Übersicht inaktiv CDK Cyclin aktiv T160 P CDK Cyclin CDK inaktiv P Cyclinkonzentration Phosphorylierung Dephosphorylierung G2 M G1 SM G1 G2 M ATP CDK Cyclin T14 Y15 P P inaktiv T160 P ATP Pi

102 Regulation der CDK-Aktivität: Übersicht inaktiv CDK Cyclin aktiv T160 P CDK Cyclin T160 P CDK CKI CDK inaktiv Cyclin CKI P Cyclinkonzentration Phosphorylierung Dephosphorylierung CDK-Inhibitoren G1 S G2 M G1 SM G1 G2 M ATP CDK Cyclin T14 Y15 P P inaktiv T160 P ATP Pi

103 M S G1G2 Cyclin-abhängige Kinasen: Motoren und Schalter des Zellzyclus R DephosphorylierungCyclinabbau Cyclinsynthese Inhibitoren pRb/E2F Lamin-P


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