Cyclin-abhängige Kinasen: Motoren und Schalter des Zellzyclus

Präsentation zum Thema: "Cyclin-abhängige Kinasen: Motoren und Schalter des Zellzyclus"—  Präsentation transkript:

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

2 Der Zellzyklus M S

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

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

5 Der Zellzyklus: Teilschritte der Mitose
Prophase Metaphase Anaphase Telophase

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

17 Identifizierung von Zellzyklusregulatoren: CDKs
Leland H Hartwell

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

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

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

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

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

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

24 Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs): Heterodimere Proteine
C.L. Card et al., EMBO Journal 2000 katalytische Untereinheit: CDK regulatorische 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 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 Identität - konservierte Cyclin-Bindungsstelle - regulatorische Untereinheit: Cyclin - Cyclin A-H - heterogene Proteinfamilie - zyklische Konzentrationsänderungen im Zellzyklus

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

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

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

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
Retinoblastom-Protein (Rb) - Schlüsselsubstrat der S-Phase - nucleäres Protein, 110 kDa NH2- A B -COOH

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

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

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

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

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

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

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

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

41 CDK Substrate: Mitose Bedeutung von CDKs bei der Mitose

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

43 CDK Substrate: Mitose Chromatin Kernlamina innere Kernmembran

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

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

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

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

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

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

50 Regulation der CDK-Aktivität
inaktiv CDK

51 Regulation der CDK-Aktivität: Cyclinkonzentration
inaktiv inaktiv CDK

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 Metaphase Abbau von CyclinB

68 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau
Cyclin A,B NH2 COOH Destruction-Box

69 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau
Cyclin A,B NH2 COOH Destruction-Box Ubiquitin NH2 COOH

70 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau
Cyclin A,B NH2 COOH Destruction-Box Ubiquitin Anaphase-promoting-complex (APC) NH2 COOH

71 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau
Cyclin A,B NH2 COOH Destruction-Box Ubiquitin Anaphase-promoting-complex (APC) NH2 COOH Markierung für proteolytischen Abbau

72 Regulation der Cyclinkonzentration: proteolytischer Abbau
Cyclin A,B NH2 COOH Destruction-Box Ubiquitin Anaphase-promoting-complex (APC) NH2 COOH Markierung für proteolytischen Abbau Proteasom Abbau NH2 COOH

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

91 Regulation der CDK-Aktivität: Inhibitoren
Beispiel: CKI p21 isosterische Hemmung durch Bindung im aktiven Zentrum Cyclin E CDK 2 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
Transkriptionsfaktor, Tumorsupressor-Gen

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

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

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

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

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

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

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

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

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

103 Cyclin-abhängige Kinasen: Motoren und Schalter des Zellzyclus
Dephosphorylierung Cyclinabbau G2 G1 Lamin-P pRb/E2F R Cyclinsynthese S Inhibitoren