CK2

Proteiinkinaas CK2 (EC 2.7.11.1), tuntud ka kui kaseiinkinaas II, on seriini/treoniini proteiinkinaas, mis on laialt levinud eukarüootsetes rakkudes ja omab palju füsioloogilisi funktsioone. CK2 on kõrgelt konserveerunud järjestusega proteiinkinaas, mis tähendab, et proteiinkinaasil on sarnased või identsed aminohappe jääkide järjestused eri liikide vahel. See vihjab, et antud järjestus on olnud evolutsiooniliselt väga püsiv. Näiteks inimese ja kana CK2α aminohapete järjestus on ligikaudu 98% identne, CK2α’-alaühikuga on sarnasus 97%. CK2 aktiivsus mõjutab raku kasvu, vohamist, angiogeneesi (protsess, kus kasvajarakud loovad endale kasvuks ja arenguks vajaliku täiendava kasvajasisese veresoonte süsteemi) ja teisi raku arenemisega seotud protsesse, seetõttu on CK2 saanud potentsiaalseks sihtmärgiks vähiravis. CK2 esineb enamasti hetero-tetrameerse kompleksina, mis on tuntud ka kui CK2 holoensüüm. See koosneb kahest regulatoorsest (β) ja kahest katalüütilisest (α ja α’) alaühikust. CK2 on katalüütiliselt aktiivne nii holoensüümina kui ka vaba katalüütilise alaühikuna. Kuigi katalüütilised alaühikud CK2α ja CK2α’ on struktuurselt suhteliselt sarnased, on need siiski erinevate geenide produktid. Nende katalüütilistes domeenides ilmneb CK2α ja CK2α’ struktuuris ligikaudu 90%-list identsus, mis seletab nende katalüütiliste alaühikute sarnasusi ensümaatilistes omadustes. Hiljuti inimrakus avastatud katalüütilise alaühiku CK2α’′ kohta on infot suhteliselt vähe. CK2α’′ aminohappelise järjestuse kohaselt on CK2α’′ struktuurilt suhteliselt sarnane CK2α-ga, nimelt mõlema katalüütilise alaühiku esimesed 353 aminohapet, väljaarvatud 127. asend (CK2α Thr ja CK2α’′ Ala), on CK2α ja CK2α’′ identsed. CK2α ja CK2α’ katalüütiliste alaühikute sarnasuse uurimiseks katsetati hiirte CK2α’ kodeeringut sisaldava geeni knockout-i (meetod, kus organismis muudetakse üks geen mittetöötavaks). Heterosügootse ja homosügootse hiire paaritamisel saadi elujõulised järglased, mis viitab, et CK2α on võimeline kompenseerima CK2α’-i, kui arvestada vaid järglaste elujõulisust. Kuid katsest ilmnes ka, et selliste hiirte isased järglased olid steriilsed, mis näitab, et CK2α ei ole täielikult võimeline kompenseerima funktsionaalsust CK2α’-i puudumisel. Erinevalt katalüütilistest alaühikutest ei ole regulatoorsel CK2β alaühikul ulatuslikke sarnasusi teiste proteiinidega. β-alaühik on unikaalne proteiin ja imetajatel kodeerib seda vaid üks geen, erinevalt katalüütilistest alaühikutest. CK2β-l on holoensüümi kompleksis mitu ülesannet. Katalüütiline alaühik CK2β stabiliseerib holoensüümi. Isoleeritud CK2β alaühiku ja CK2 holoensüümi kristallstruktuuri uurimisel on avastatud, et β-alaühik eksisteerib dimeerina. Samuti leiti, et CK2β homodimeeri moodustumine on vajalik katalüütiliste alaühikute korporeerimiseks tetrameeri. Bioloogilised uuringud on näidanud, et nii katalüütilised kui ka regulatoorsed alaühikud on võimelised eksisteerima eraldi. Katses Saccharomyces cerevisiae′ga, mis omab mõlemat CK2β alaühikut (nii CK2β kui ka CK2β‘), ilmnes, et nii ühe kui ka mõlema CK2β alaühikut kodeeriva geeni knockout ei omanud mingit mõju elujõulisusele ega ka kasvule, kuid muutis soolatundlikust Na+ ja Li+ ioonide suhtes. Vastupidi pärmiga tehtud eksperimendile ilmnes katsetes hiirtega aga, et proteiinkinaasi CK2β alaühik on hädavajalik raku elujõulisusele ja on seega ülioluline embrüo varajases arengus. CK2 regulatsioon rakkudes on olnud läbi aastate üks kõige rohkem segadust ja vaidlusi tekitanud küsimus CK2 uurimisel. Seni pole katsetes saadud jäävat ega üldist arusaama mehhanismist, mis määraks CK2 regulatsiooni rakkudes. Paljud proteiinkinaasid vajavad aktiveerumiseks kindla aktivatsiooniaasa fosforüleerimist. Proteiinkinaas CK2 aga omab vähemalt kahte molekulaarsüsteemi, mis hoiavad seda proteiini konstantselt aktiivsena: interaktsioon aktivatsioonitsükli ja N-terminaalse segmendi vahel, mis hoiab isoleeritud katalüütilisi alaühikuid pidevalt aktiivsena; assotsiatsioon katalüütilise ja regulatoorse alaühiku vahel, mis võimaldab taasaktiveerida, kui interaktsioon N-terminaali ja aktivatsioonsegmentide vahel on katkenud. Ohtrate aktivatsioonimehhanismide tõttu on nii CK2 holoensüüm kui ka isoleeritud alaühikud pidevalt aktiivsed. CK2 on enamasti klassifitseeritud kui virgatsainetest sõltumatu (inglise keeles messenger-independent) kinaas, sest selle aktiivsus ei sõltu väikestest molekulidest, nagu tsüklilised nukleotiidid, lipiidid ja kaltsium, mis on seotud informatsioonist sõltuvate kinaasidega. CK2 on proteiinkinaas, mis aktsepteerib fosforüülrühma doonorina võrdselt hästi nii ATP-d kui ka GTP-d. CK2 kannab üle fosforüülrühma seriini ja treoniini jääkidele, kuid on võimeline ka fosforüleerima türosiini, kuigi palju madalama efektiivsusega. Kõige hämmastavam proteiinkinaas CK2 omadus on selle pleiotroopsus (palju funktsioone, substraate) ning seetõttu on see eluliselt tähtis: proteiinkinaas CK2 on seotud väga erinevate mehhanismidega, ehk isegi kui kõik need mehhanismid üksikult pole asendamatud, siis kõikide nende mehhanismide välja jätmine oleks fataalne. Proteiinkinaas CK2 on seotud mitut liiki rakuprotsessidega nagu näiteks raku jagunemine, motoorika, rakuskeleti reorganiseerimine ja rakkude vohamine. CK2 on atsidofiilne proteiinkinaas, tundes ära negatiivselt laetud aminohappeid sisaldavaid substraate. CK2 poolt äratuntava valgu sidumiskoha konsensusjärjestus on: (E/D/x)-(S/T/Y)-(E/D/x’)-(E/D/x)-(E/D)-(E/D/x), kus S/T/Y – fosforüülrühma aktseptor, x – mittepositiivne aminohappe jääk, x’ – mittepositiivne aminohappe jääk, välja arvatud proliin. Kõige tähtsam happeline aminohappe jääk asub positsioonil n+3. Tähtsuselt teine happeline aminohappe jääk asub positsioonil n+1. Juhul, kui positsioonil n+3 pole negatiivselt laetud aminohapet, on alati happeline aminohappe jääk positsioonil n+1 ja vastupidi. Aluselised aminohappe jäägid on üliharuldased positsioonide n-1 ja n+4 vahel. Patoloogilised seisundid, eriti vähkkasvajad, on seostatud proteiinkinaaside kõrgenenud aktiivsusega, mis on tihti tingitud mutatsioonidest. Kuigi seni pole leitud kasvajates ühtegi proteiinkinaas CK2 mutatsiooni, on siiski avastatud vähirakkudes CK2 kõrgenenud aktiivsus. Eksperimentaalselt on tõestatud, et CK2 ületootmine hiirte rakkudes on põhjustanud vähkkasvaja teket. CK2 kõrgenenud aktiivsus võib põhjustada kantserogeensust mitmel viisil. CK2 on võimeline reguleerima kasvaja supressorvalkude aktiivsust ja stabiilsust või parandada raku ellujäävust onkogeeni ja transkripsiooniliste aktivaatorite reguleerimise teel. Onkoproteiinid on põhilised valgud, mis põhjustavad rakkude kontrollimatut vohamist. On tähtis uurida kantserogeenide progressiooniga seotud mehhanisme, et oleks võimalik väljatöötada vähivastaseid ravimeid. CK2 liiga suur aktiivsus on seotud ka mitmete põletikuliste ning südame-, närvi- ja veresoonkonna haigustega. Lisaks on avastatud, et CK2 seostub ka mitmete viiruslike valkudega. Proteiinkinaasid omavad olulist rolli raku valgufunktsioonide regulatsioonis. Hinnanguliselt ühe kolmandiku valkude aktiivsus on reguleeritud ühe või enama treoniini, seriini ja türosiini jäägi fosforüleerimisega. See on ka põhjuseks, miks proteiinkinaasid on saanud üheks tähtsamaks ravimitööstuste uurimisobjektiks. Tuntakse kolme eri tüüpi proteiinkinaaside inhibiitoreid. Esimest tüüpi inhibiitorid on ATP-konkurentsed inhibiitorid. Need ühendid toimivad kui adeniini matkijad, konkureerides ATP sidumiskohale. Selliste inhibiitorite peamiseks probleemiks on madal selektiivsus ja konkureeriva ATP kõrge kontsentratsioon rakukeskkonnas. Välja on töötatud mitmesugused CK2 ATP-konkurentsed inhibiitorid, näiteks 4,5,6,7-tetrabromobensimidasool (TBB). Teist tüüpi proteiinkinaaside inhibiitorid hõlmavad ühendeid, mis selektiivselt häirivad proteiin-proteiin interaktsioone ja blokeerivad substraadi sidumise proteiinkinaasi aktiveeritud taskusse. Kolmandaks tüübiks on bisubstraatsed inhibiitorid, mis koosnevad kahest konjugeeritud fragmendist, millest kumbki seondub erinevasse bisubstraatse ensüümi seondumistaskusse. CX-4945 on esimene kliinilistes katsetustes olev CK2 selektiivne inhibiitor. Kasvajarakkude jälgimine katsete I faasis on näidanud kasvajarakkude suremust CX-4945 toimel, mis tõestab, et CX-4945 on stabiilne ja kestev ravitoime. Tartu Ülikoolis Asko Uri uurimisgrupi poolt välja arendatud ARC-tüüpi proteiinkinaasi bisubstraatsed inhibiitorid on arvatavasti kõige põhjalikumalt uuritud bisubstraatsed inhibiitorid. ARC-id on konjugaadid, mis koosnevad adenosiisin matkivast ühendist ja oligo-arginiinist. Kramerov, A. A.; Ljubimov, A. V. Focus on Molecules: Protein kinase CK2. Exp. Eye Res., 2012, 101, 111–112. M. Montenarh, Cell Tissu Res., 2010, 342, 139–146. Litchfield, D. W. Protein kinase CK2: structure, regulation and role in cellular decisions of life and death. Biochem. J. 2003, 369, 1–15. Enkvist, E.; Viht, K., Bischoff, N.; Vahter, J.; Saaver, S.; Raidaru, G.; Issinger, O.-G.; Niefind, K.; Uri, A. A subnanomolar fluorescent probe for protein kinase CK2 interaction studies. Org. Biomol. Chem., 2012. Boldyreff, B.; O. G. Issinger. Structure of the gene encoding the murine protein kinase CK2 subunit. Genomics, 1995, 253–256. Buchou, T.; Vernet, M.; Blond, O.; Jensen, H. H.; Pointu, H.; Olsen, B. B.; Cochet, C.; Issinger, O.-G.; Boldyreff. Distribution of the Regulatory β Subunit of Protein Kinase CK2 in Mice Leads to a Cell-Autonomous Defect and Early Embryonic Lethality. Mol. Cell. Biol., 2003, 908–915. Bidwai, A. P., J. C. Reed, and C. V. C. Glover. Cloning and disruption of CKB1, the gene encoding the 38-kDa subunit of Saccharomyces cerevisiae casein kinase II (CKII). J. Biol. Chem. 1995, 270, 10395–10404. Pinna, L. Protein Kinase CK2: a Challenge to Canons. J. Cell. Sci., 2002, 115, 3873–3878. Mishra, S.; Pertz, V.; Zhang, P.; Shimada, K. H.; Groffen, J.; Kazimierczuk, Z.; Pinna, L.A.; Heisterkamp, N. Treatment of P190 Bcr/Abl lymphoblastic leukemia cells with inhibitors of the serine/threonine kinase CK2. Leukemia, 2006, 21, 178–180. M. Montenarh, Cell Tissu Res., 2012, 342, 139–146. Uri, A.; Enkvist, E.; Viil, I.; Lavogina, D.; Raidaru, G.-J.; Viht, K. Bisubstrate fluorescent probe binding to protein kinases. US 8,158,376 B2, 2012. Cohen, Nat. Rev. Drug Discov., 2002, 1, 309. http://www.cylenepharma.com/pipeline/ck2-program "Medicinal Chemistry Research Group". Originaali arhiivikoopia seisuga 2. november 2013. Vaadatud 19. novembril 2012. Lavogina, D.; Enkvist, E.; Uri, A. Bisubstrate Inhibitors of Protein Kinases: from Principle to Practical Applications. ChemMedChem, 2010, 5, 23–34.