Regulación de la actividad de los complejos ciclina-cdk

La progresión a través del ciclo celular está controlada por la actividad de una familia de serina/treonina quinasas denominadas quinasas dependientes del ciclo celular o cdks (cell cycle dependent kinases) (Pines, 1994). La actividad de estas quinasas se encuentra finamente regulada a diversos niveles, puesto que de su correcta activación y desactivación en el momento preciso va a depender todo el proceso de división celular.

Aunque en levaduras este proceso está controlado por una única cdk (cdc2 en levaduras de fisión o cdc28 en levaduras de gemación), los eucariotas superiores han evolucionado hacia la utilización de varias cdks para regular las diferentes fases de su ciclo celular. Hasta la fecha se han descrito siete cdks en los mamíferos,

denominadas cdk 1-7 (Fig. 7). Entre ellas presentan una elevada homología (40-70% de identidad) y su dominio catalítico mantiene un elevado grado de conservación con el de otras serina-treonina quinasas (Lees, 1995; Morgan, 1995; Pines, 1994). Existen diversos mecanismos involucrados en la regulación de la actividad de las cdks que garantizan la correcta progresión a través del ciclo celular y su exquisita sensibilidad para detectar las variaciones existentes en el entorno celular.

Figura 7. Fases del ciclo celular. La expresión temporal y

activación secuencial de los diversos complejos ciclina-cdk determina el paso a través de cada una de las fases del ciclo celular en mamíferos. Cdk, quinasa dependiente del ciclo celular; cic, ciclina; M, mitosis; R, punto de restricción.

En estado monomérico, las cdks prácticamente no presentan actividad alguna. Para su activación, en una etapa inicial, requieren de la unión a unas subunidades reguladoras, denominadas ciclinas. Las ciclinas constituyen una gran familia de proteínas denominadas ciclina A-H, las cuales se unen y activan a diferentes cdks (Sherr, 1993). La unión de las ciclinas a la subunidad cdk provoca un incremento de 40000 veces en su actividad quinasa (Connell-Crowley y col., 1993) debido principalmente a cambios estructurales en la subunidad quinasa (Jeffrey y col., 1995) (Fig. 8).

Durante el ciclo celular, cada ciclina tiene un patrón de expresión único (Fig. 7). Por este motivo, el tiempo de expresión de cada ciclina es crucial para determinar en que fase del ciclo celular será activa la quinasa a la cual se una. De esta forma, la disponibilidad de cada ciclina es un factor limitante para la progresión a través de las diferentes fases del ciclo celular. Las ciclinas de tipo D son sintetizadas al inicio de la

G1 S G2 M R cdk4/cic D1 cdk6/cic D1 cdk2/cic E cdk2/cic A cdc2/cic A cdc2/cic B

fase G1 y se unen y activan a cdk-4 y cdk-6 tan pronto como las células abandonan su estado de quiescencia y entran dentro del ciclo celular. Los complejos ciclina E-cdk-2 y ciclina A-cdk-2 se forman posteriormente, durante la fase G1 tardía, cuando las células se preparan para la síntesis del DNA. La expresión de la ciclina B empieza en la fase S. La cdk-1 (también denominada cdc-2) se une entonces a la ciclina B para formar el complejo quinasa que será activo durante la fase G2 y la mitosis (Fig. 7).

Los niveles de las diferentes ciclinas están modulados tanto transcripcionalmente como mediante el recambio proteico. Por ejemplo, las ciclinas D están inducidas por citocinas y factores de crecimiento responsables de iniciar la progresión a través del ciclo celular (Matsushime y col., 1991), mientras que una rápida degradación de las ciclinas A y B, mediada por procesos de ubicuitinación, es esencial para permitir la salida de las células de la fase de mitosis (Irniger y col., 1995; King y col., 1995; Murray, 1995)

Figura 8. Puntos de la regulación de los complejos ciclina-cdk. La existencia

de innumerables puntos de regulación de estos complejos es necesaria para asegurar la elevada sensibilidad del ciclo celular para detectar los estímulos externos, así como para asegurar la correcta duplicación celular. Cdk, quinasa dependiente del ciclo celular; CAK, quinasa activada por el ciclo celular; PP, proteína fosfatasa; P, punto de fosforilación; cki, inhibidor de las cdk; T, residuo de treonina; Y, residuo de tirosina.

ciclina cdk T T Y ciclina cdk T T Y ciclina cdk T T Y cdk T T Y cdk T T Y ciclina cdk T T Y ACTIVA p PP? p ciclina cki p cki T T Y p CAK cdk7 cic H T T Y p CAK cdk7 cic H ciclina PP? p p WEE1 P P WEE1 cdc25 cdc25 P Myc Max

Los complejos ciclina-cdk son regulados posteriormente por fenómenos de fosforilación y defosforilación en residuos conservados de las subunidades cdk. Se ha propuesto que la fosforilación del residuo treonina T(160) mediada por la quinasa CAK (Cell cycle-activated kinase) induce un posterior cambio conformacional y permite la correcta exposición del centro catalítico, favoreciendo así la unión del substrato al mismo (Jeffrey y col., 1995). Esta fosforilación permite también la estabilización de los complejos ciclina-cdk. La quinasa CAK es un complejo enzimático multimérico compuesto por la ciclina H y la cdk-7 (Fisher y Morgan, 1994; Makela y col., 1994; Solomon y col., 1993) (Fig. 8).

Otro punto de regulación de las cdks es su fosforilación en residuos tirosina conservados, T(15) en la cdk-1. El residuo T(15) está localizado dentro del centro catalítico del enzima (Dunphy, 1994). En organismos eucariotas superiores la T(14) adyacente constituye también una diana de fosforilación. A diferencia de lo que ocurre con la T(160), la fosforilación en los residuos T(15) y T(14) inhibe la actividad de los complejos ciclina-cdk. Estos residuos son fosforilados por quinasas emparentadas con Wee1. Las fosfatasas de la familia cdc25 son las responsables de la defosforilación de dichos residuos y, por tanto, de la activación de las cdks (Dunphy, 1994; Hoffman y Karsenti, 1994) (Fig. 8).

La función última de la actividad de los complejos ciclina-cdk es regular el estado de fosforilación de la proteína del retinoblastoma (pRb). La pRb es fosforilada por los complejos ciclina-cdk, particularmente por los complejos ciclina D-cdk4/6 y ciclina E-cdk2. La pRb regula la progresión a través de la fase G1 del ciclo celular (Weinberg, 1995) permitiendo, o no, la expresión de genes esenciales para la replicación del DNA y, por tanto, para la proliferación celular. La forma hipofosforilada de pRb es la forma activa e inhibitoria de la proliferación celular, mientras que la forma hiperfosforilada es inactiva. Cuando la célula alcanza el punto R (punto de restricción) podrá continuar a través del ciclo celular, sólo si pRb se encuentra hiperfosforilada, gracias a la actividad de los complejos ciclina-cdk. De este simple modelo, se deduce fácilmente que aquellos factores que modulen la fosforilación de pRb son cruciales para la regulación de la progresión del ciclo celular.

La pRb se une, y presumiblemente, controla la actividad de diversas proteínas. La más importante de éstas, en el contexto de la regulación del ciclo celular, es la familia de proteínas E2F. Estas proteínas son factores de transcripción que regulan la expresión de diversos genes requeridos para la progresión a través del ciclo celular, entre los cuales se incluyen ciclinas y la timidina quinasa, entre otros (DeGregori y col., 1995; Muller, 1995; Nevins, 1992).