Kinase dépendante des cyclines

Le site actif, ou site de fixation de l'ATP, de toutes les kinases est un sillon entre un petit lobe amino-terminal et un large lobe carboxy-terminal[1]. La structure de CDK2 chez l'être humain montre que les CDK ont un site de fixation à l'ATP modifié et qui peut être régulé par la fixation aux cyclines[1]. La phosphorylation par la "CDK activating-kinase" à la Thr 161 augmente l'activité du complexe. Sans cycline, une boucle flexible appelée boucle activatrice ou boucle T bloque le sillon, et la position de plusieurs acides aminés empêche la fixation de l'ATP[1]. En présence de cycline, deux hélices alpha changent de position pour permettre la fixation de l'ATP. L'une d'elles, l'hélice L12 placée juste avant la boucle T, devient un feuillet β et aide au réarrangement de la boucle T pour qu'elle ne bloque plus le sillon[1]. L'autre hélice α, appelée hélice PSTAIRE, aide au réarrangement des acides aminés dans le site actif[1].

Il y a une très grande spécificité entre une cycline et la CDK correspondante[3]. De plus, la cycline impliquée détermine la spécificité du complexe cycline-CDK avec son substrat[3]. Les cyclines peuvent directement se fixer à leurs substrats ou amener la CDK dans un compartiment cellulaire où se trouve le substrat. En ce qui concerne la phase S, la spécificité pour le substrat se fait par le biais d'un domaine hydrophobique (séquence MRAIL) qui a une forte affinité pour les protéines qui contiennent un motif hydrophobique RXL. Les cyclines B1 et B2 peuvent amener Cdk1 au noyau ou à l’appareil de Golgi[1].

L'activité kinase complète requiert une phosphorylation sur la thréonine adjacente au site actif. L'identité de la "CDK-activating kinase" (CAK) qui réalise cette modification ainsi que le timing suivant lequel elle la réalise varient selon les espèces[1]. Dans les cellules de mammifères la phosphorylation activatrice se déroule après la fixation à la cycline[1]. Chez la levure au contraire elle se déroule avant. L'activité des CAK n'est pas dépendante d'une régulation par des facteurs du cycle cellulaire et la fixation à la cycline est l'étape limitante pour l'activation des CDK[1].

Contrairement à la phosphorylation activatrice, la phosphorylation inhibitrice des CDK est essentielle pour la régulation du cycle cellulaire. Plusieurs kinases et phosphatases participent à cette régulation. Une de ces enzymes qui placent la phosphorylation sur la tyrosine est Wee1, qui est conservée chez tous les eucaryotes[1]. La levure S. pombe possède une deuxième kinase Mik1 qui peut phosphoryler la tyrosine[1]. Chez les vertébrés, une seconde kinase proche de Wee1 appelée Myt1 peut phosphoryler aussi bien la thréonine que la tyrosine[1]. Les phosphatases de la famille Cdc25 quant à elles sont capables de déphosphoryler aussi bien la thréonine que la tyrosine[1].

Une protéine inhibitrice de CDK ("cyclin-dependent kinase inhibitor protein" [CKI]) est une protéine qui interagit avec un complexe cycline-CDK pour bloquer l'activité kinase, généralement durant la phase G1 ou en réponse à des signaux provenant de l'environnement ou dû à des dommages de l'ADN[1]. Dans les cellules animales il existe deux familles majeures de CKI : la famille INK4 et la famille CIP/KIP[1]. Les protéines de la famille INK4 sont strictement des inhibiteurs de CDK et se lient à des monomères de CDK. La structure du complexe CDK6-INK4 montre que la fixation d'INK4 entraine une torsion de la CDK ce qui empêche la fixation de la cycline et l'activité kinase. Les protéines de la famille CIP/KIP quant à elles peuvent se fixer aussi bien aux cyclines qu'aux CDK et peuvent être aussi bien inhibitrices qu'activatrices. Ainsi les protéines de la famille CIP/KIP peuvent activer le complexe entre la cycline D et CDK4 ou 6 en facilitant la formation du complexe[1].

Chez la levure et la drosophile, les CKIs sont des puissants inhibiteurs des CDK associées aux phases M et S mais n'inhibent pas celles associées à la phase G1. Durant la phase G1, de hauts niveaux de CKIs empêchent l'apparition d'évènements du cycle cellulaire non prévus mais pas le passage du checkpoint de la phase G1 à la phase S. Dès que le cycle cellulaire est amorcé, la phosphorylation des premières G1/S CDK conduit à la destruction des CKIs ce qui lève l'inhibition des futures transitions du cycle cellulaire.

Les CDK directement impliquées dans la régulation du cycle cellulaire s'associent avec des petites protéines (9 à 13 kDa) appelées Suk1 ou Cks[3]. Ces protéines sont nécessaires pour le bon fonctionnement des CDK mais leur rôle précis est inconnu[3]. Cks1 se fixe au lobe carboxyle de CDK et reconnaît les résidus phosphorylés. Ce processus pourrait aider le complexe cycline-CDK à interagir avec des substrats possédant de multiples résidus phosphorylés[3].

Certains virus peuvent coder des protéines possédant des séquences homologues aux cyclines. Par exemple la cycline K du virus du sarcome de Kaposi active CDK6. Les complexes cycline virale-CDK sont spécifiques pour d'autres substrats et soumis à des régulations différentes[6].

Les protéines p35 et p39 activent CDK5. Malgré le fait que ces protéines ne présentent pas d'homologie de séquence avec les cyclines, la structure cristallographique de p35 montre que son repliement présente des similitudes avec les cyclines. Toutefois l'activation de CDK5 ne nécessite pas de phosphorylation sur la boucle[6].

Des protéines qui ne présentent pas d'homologie avec les cyclines peuvent être des activateurs directs des CDK[7]. Une des familles de ces activateurs est celle des protéines RINGO/Speedy qui ont été découvertes chez le xénope. Les 5 membres de la famille connus sont capables d'activer Cdk1 et Cdk2 mais le complexe RINGO/Speedy-Cdk2 reconnait différents substrats que le complexe cycline A-Cdk2[6].