Universität zu Köln

50 Jahre Proteinkinase CK2 - ein Beitrag zur Strukturbiologie eukaryontischer Proteinkinasen

Niefind, Karsten (2004) 50 Jahre Proteinkinase CK2 - ein Beitrag zur Strukturbiologie eukaryontischer Proteinkinasen. Professorial thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Die vorliegende Schrift gibt einen Überblick über die Forschungsgeschichte und über den strukturbiologischen Erkenntnisstand der Proteinkinase CK2 (früher "Caseinkinase 2" genannt). CK2 ist eine Serin/Threonin-Kinase aus der Superfamilie der eukaryontischen Proteinkinasen mit ausgeprägter Vorliebe für saure Substratproteine (Acidophilie). Sie besitzt eine heterotetramere Quartärstruktur und besteht aus zwei katalytischen Untereinheiten (CK2alpha) und zwei nicht-katalytischen Untereinheiten (CK2beta). Dieser (alpha)2(beta)2-Komplex wird auch als "CK2-Holoenzym" bezeichnet. Das Enzym wurde vor 50 Jahren als erste Proteinkinase der Biochemiegeschichte entdeckt. In den darauffolgenden Jahrzehnten hat es eine Fülle verschiedener Benennungen erfahren (Phosvitinkinase, Caseinkinase G, Caseinkinase 2, Glycogensynthase-Kinase 5 u.v.m.), in denen sich aktuelle Entwicklungen der CK2- und der allgemeinen Proteinkinaseforschung widerspiegelten. Diese Namens-und Forschungsgeschichte wird einleitend dargestellt. Der Hauptteil der Schrift ist dann der Strukturbiologie der CK2 gewidmet. Anhand von 3D-Strukturen ist es in den vergangenen Jahren gelungen, die markantesten Eigenschaften des Enzyms auf molekularer Grundlage zu verstehen. In erster Linie ist hier die konstitutive Aktivität der CK2 zu nennen, das ist das für eine Proteinkinase ungewöhnliche Fehlen inaktiver Zustände und von Regulationsprinzipien, wie sie von anderen Proteinkinasen bekannt sind. 3D-Strukturen von CK2alpha legen nahe, dass die konstitutive Aktivität eine ureigene, phylogenetisch optimierte Eigenschaft des Enzyms ist, die für seine physiologische Funktion unerlässlich ist. Für diese Schlussfolgerung spricht insbesondere auch ein Strukturvergleich von CK2alpha mit seinen nächsten Sequenzverwandten aus der sogenannten CMGC-Familie der eukaryontischen Proteinkinasen: den cyclinabhängigen Kinasen, den mitogenaktivierten Kinasen und der Glycogensynthase-Kinase 3. Diese funktionell bedeutenden Proteinkinasen werden streng reguliert. Die dabei erkennbaren molekularen Details sind zwar auch in CK2alpha noch rudimentär angelegt, jedoch sind sie im Sinne konstitutiver Aktivität und Acidophilie modifiziert. Eine weitere ungewöhnliche Eigenschaft der CK2 ist die Fähigkeit, außer ATP auch GTP als Phosphogruppendonor zu verwenden (duale Cosubstratspezifität). Die strukturelle Basis dieses Vermögens konnte durch Strukturaufklärungen binärer Komplexe von CK2alpha mit ATP- und GTP-Analoga geklärt werden. Ausgehend von diesem Ergebnis wurde eine CK2alpha-Mutante geplant und hergestellt, deren Cosubstratspezifität deutlich in Richtung ausschließlicher ATP-Nutzung verschoben war. Die Strukturanalyse dieser Mutante im Komplex mit einem ATP-Analogon zeigte, dass sich die Bindung des Nukleotids in der vorhergesagten Weise verändert hatte. Im Gegensatz zu CK2alpha ist die nicht-katalytische Untereinheit CK2beta ein Protein, von dem fast keine Sequenzverwandten bekannt sind. Diese Einzigartigkeit hat sich auf struktureller Ebene bestätigt: Während die Grundfaltung von CK2alpha mit einer N-terminalen Beta-Faltblatt-Domäne und einer C-terminalen Alpha-helikalen Domäne bei allen eukaryontischen Proteinkinasen zu finden ist, besitzt die CK2beta-Struktur keinerlei Ähnlichkeit zu den heute bekannten Proteinstrukturen. Die Strukturaufklärung von CK2beta als isoliertes Protein und gebunden an CK2alpha hat obendrein eine hochkonservierte Zinkbindungsstelle offenbart, deren Aufgabe darin besteht, eine stabile Dimerisierungsdomäne zu formen. Schließlich konnte durch Kristallstrukturanalyse Klarheit über die lange Zeit strittige Architektur des CK2-Holoenzyms erzielt werden. Es bestätigte sich, dass der Kern dieses Komplexes durch ein CK2beta-Dimer gebildet wird, an das zwei CK2alpha-Ketten angelagert sind, ohne miteinander Kontakt zu haben. Überraschend war dabei vor allem die geringe Größe der CK2alpha/CK2beta-Kontaktfläche, wie sie normalerweise für nicht-permanente Proteinkomplexe typisch ist. Nachdem das CK2-Holoenzym bis Mitte der 90er Jahre als äußerst stabiler und permanenter Komplex galt und CK2alpha und CK2beta nur im Zusammenhang mit diesem Holoenzym bekannt waren, passen diese Befunde zu verschiedenen, seither aufgetauchten Indizien, wonach die Untereinheiten unabhängig vom Holoenzym existieren und eigene Funktionen erfüllen können. Im Schlussteil dieser Schrift wird das Erklärungspotential der CK2-Kristallstrukturen noch einmal zusammengefasst. Es wird der Frage nachgegangen, welche Bedeutung die Strukturen für die spezifisch biologischen Aspekte der CK2-Forschung des Enzyms haben, und gezeigt, dass sie - obgleich ihrem Wesen nach von begrenzter Aussagekraft - dennoch nicht irrelevant sind, weil sie neben ihrer Erklärungskraft auch ein wichtiges Hypothesepotential besitzen.

    Item Type: Thesis (Professorial thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    This thesis presents an overview of the reasearch history and the structral biology of protein kinase CK2 (former name: �casein kinase 2�). CK2 is a serine/threonine-kinase and a member of the superfamily of eukaryotic protein kinases. It has an exceptionally acidophilic substrate specificity. CK2 possesses a hetero tetrameric quaternary structure and is composed of two catalytic subunits (CK2alpha) and two non-catalytic subunits (CK2beta). The (alpha)2(beta)2 complex is commonly called �CK2 holoenzyme�. CK2 was discovered in 1954 as the first protein kinase at all in the history of biochemistry. In the following decades a lot of designations for the enzyme were introduced in the scientific literature (for instance phosvitin kinase, casein kinase G, casein kinase 2, glycogen synthase kinase 5). Each of these names reflected an actual tendency of CK2 research and protein kinase research in general. Therefore the history of CK2 nomenclature and research is decribed in the introduction. The main part of the thesis is dedicated to the structural biology of CK2. On the basis of 3D structures several important properties of CK2 could be rationalized in the last years. A prominent example is the constitutive activity of CK2, i.e. the unusual lack of inactive states and of regulatory mechanisms otherwise typical for protein kinases. The crystal structures of CK2alpha strongly suggest that this exceptional property of CK2 is a genuine feature of the enzyme which has been optimized during evolution and which essential for its physiological function. This conclusion is supported by a structural comparison of CK2alpha with its nearest relatives in the CMGC-family of eukaryotic protein kinases: the cyclin-dependent protein kinases (CDK), the mitogen-activated protein kinases (MAPK) and glycogen synthase kinase 3 (GSK3). These functionally important enzymes are strictly controlled. The molecular details of their activity control are well understood; they are also rudimentarily present in CK2alpha but here they are modified in the sense of constitutive activity and acidophily. A further unusual feature of CK2 is its dual-cosubstrate specificity, i.e. the ability to use either ATP or GTP as a phopho donor. The structural basis of this property has been elucidated by structure determinations of binary complexes of CK2alpha with ATP- and GTP analogs. Based on these results a CK2alpha mutant was designed and produced in which the cosubstrate specificity was shifted in favour of ATP. The structure of this mutant confirmed that the binding of the nucleotide had changed in the way prediced before. In contrast to CK2alpha the non-catalytic subunit CK2beta is a protein without any homology among currently known protein sequence. This unique character has been confirmed on a structural level: while CK2alpha shares its general fold with all eukaryotic protein kinases, CK2beta has no similarity to any known protein structure. The 3D-structure of CK2beta revealed a highly conserved zinc binding site with the obvious function to form and stabilize the dimerisation motif. Finally a crystal structure analysis disclosed the architecture of the CK2 holoenzyme which had been controversy for a long time. The CK2 holoenzyme structure confirmed that a CK2beta dimer forms the core of the complex. The two CK2alpha chains bind to this core in such a way that they do not touch each other. The most surprising feature of the CK2 holoenzyme structure was the small size of the CK2alpha/CK2beta interface which is in the typical range of transient (non-permanent protein complexes). This was astonishing because the CK2 holoenzyme was traditionally regarded as a very stable and permanent complex. In this way the CK2 holoenzyme structure supports the view that CK2alpha and CK2beta might exist in the cell in populations of their own and might have functions independent of the CK2 holoenzyme. In the final part of the thesis the rationalization potential of the CK2 crystal structures is summarized. The impact of these structures on the main stream of CK2 reasearch (which is cell biological in its nature) is decribed. It is demonstrated that the structures are not only valuable for the rationalization of biological and chemical properties of CK2 but that they also possess a significant hypothesis potential.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Niefind, KarstenKarsten.Niefind@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-18600
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Caseinkinase 2 , Proteinkinase CK2 , Strukturbiologie , Strukturbiochemie , ProteinkristallographieGerman
    casein kinase 2 , protein kinase CK2 , structural biology , structural biochemistry , protein crystallographyEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Biochemie
    Language: German
    Date: 2004
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 17 January 2005
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 11 Oct 2006 10:43:30
    Referee
    NameAcademic Title
    Schomburg, DietmarProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1860

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