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

Der Zellzyklus M S

Der Zellzyklus M S = DNA-Synthese (Replikation)

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

Der Zellzyklus: Teilschritte der Mitose Prophase Metaphase Anaphase Telophase

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Identifizierung von Zellzyklusregulatoren: CDKs Leland H Hartwell

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

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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!

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

CDK Substrate: Mitose Bedeutung von CDKs bei der Mitose

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

CDK Substrate: Mitose Chromatin Kernlamina innere Kernmembran

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

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

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

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

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

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

Regulation der CDK-Aktivität inaktiv CDK

Regulation der CDK-Aktivität: Cyclinkonzentration inaktiv inaktiv CDK

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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