Ca 2+ /Calmodulin-abhängige Proteinkinase II -Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II
| Calcium/Calmodulin-abhängige Proteinkinase-II-Assoziationsdomäne | |||||||||
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 Kristallstruktur der Calcium/Calmodulin-abhängigen Proteinkinase
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| Identifikatoren | |||||||||
| Symbol | CaMKII_AD | ||||||||
| Pfam | PF08332 | ||||||||
| Pfam- Clan | CL0051 | ||||||||
| InterPro | IPR013543 | ||||||||
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Ca2+
/Calmodulin-abhängige Proteinkinase II ( CaM-Kinase II oder CaMKII ) ist eine Serin/Threonin-spezifische Proteinkinase , die durch das Ca . reguliert wird2+
/ Calmodulin- Komplex. CaMKII ist an vielen Signalkaskaden beteiligt und gilt als wichtiger Vermittler von Lernen und Gedächtnis. CaMKII ist auch für Ca . notwendig2+
Homöostase und Wiederaufnahme in Kardiomyozyten , Chloridtransport in Epithelien, positive T-Zell- Selektion und CD8-T-Zell- Aktivierung.
Eine Fehlregulation von CaMKII wird mit der Alzheimer-Krankheit , dem Angelman-Syndrom und Herzrhythmusstörungen in Verbindung gebracht .
Typen
Es gibt zwei Arten von CaM-Kinase:
- Spezialisierte CaM-Kinasen , wie die Myosin-Leichtketten-Kinase , die Myosin phosphoryliert und eine Kontraktion der glatten Muskulatur bewirkt
- Multifunktionale CaM-Kinasen , auch zusammenfassend CaM-Kinase II genannt , die eine Rolle bei der Neurotransmitter- Sekretion, der Transkriptionsfaktor- Regulierung und dem Glykogenstoffwechsel spielen .
Struktur, Funktion und Autoregulation
CaMKII macht 1–2% aller Proteine im Gehirn aus und hat 28 verschiedene Isoformen . Die Isoformen stammen von den Alpha-, Beta-, Gamma- und Delta-Genen ab.
Strukturelle Domäne
Alle Isoformen von CaMKII haben: eine katalytische Domäne , eine autoinhibitorische Domäne, ein variables Segment und eine Selbstassoziationsdomäne.
Die katalytische Domäne hat mehrere Bindungsstellen für ATP und andere Substratankerproteine. Es ist für die Übertragung von Phosphat von ATP zu Ser- oder Thr-Resten in Substraten verantwortlich. Die autoinhibitorische Domäne weist eine Pseudosubstratstelle auf, die an die katalytische Domäne bindet und deren Fähigkeit zur Phosphorylierung von Proteinen blockiert.
Das strukturelle Merkmal, das diese Autohemmung steuert, ist der Threonin-286-Rest. Die Phosphorylierung dieser Stelle wird das CaMKII-Enzym dauerhaft aktivieren. Sobald der Threonin-286-Rest phosphoryliert wurde, wird die inhibitorische Domäne von der Pseudosubstratstelle blockiert. Dies blockiert effektiv die Autohemmung und ermöglicht eine dauerhafte Aktivierung des CaMKII-Enzyms. Dadurch kann CamKII auch in Abwesenheit von Calcium und Calmodulin aktiv sein.
Die anderen beiden Domänen in CaMKII sind die Variablen- und Selbstassoziationsdomänen. Unterschiede in diesen Domänen tragen zu den verschiedenen CaMKII-Isoformen bei.
Am C-Terminus befindet sich die Selbstassoziationsdomäne (CaMKII AD) , die Funktion dieser Domäne ist der Zusammenbau der einzelnen Proteine zu großen (8 bis 14 Untereinheiten) Multimeren
Calcium- und Calmodulin-Abhängigkeit
Die Empfindlichkeit des CaMKII-Enzyms gegenüber Calcium und Calmodulin wird durch die variablen und selbstassoziativen Domänen bestimmt. Dieses Empfindlichkeitsniveau von CaMKII moduliert auch die verschiedenen Aktivierungszustände des Enzyms. Zunächst wird das Enzym aktiviert; Autophosphorylierung tritt jedoch nicht auf, da nicht genügend Calcium oder Calmodulin vorhanden ist, um an benachbarte Untereinheiten zu binden. Wenn sich größere Mengen an Calcium und Calmodulin anreichern, kommt es zur Autophosphorylierung, die zu einer anhaltenden Aktivierung des CaMKII-Enzyms für einen kurzen Zeitraum führt. Jedoch wird der Threonin-286-Rest schließlich dephosphoryliert, was zur Inaktivierung von CaMKII führt.
Autophosphorylierung
Autophosphorylierung ist der Prozess, bei dem eine Kinase eine Phosphatgruppe an sich selbst bindet . Wenn CaMKII autophosphoryliert, wird es dauerhaft aktiv. Die Phosphorylierung der Threonin-286-Stelle ermöglicht die Aktivierung der katalytischen Domäne. Die Autophosphorylierung wird durch die Struktur des Holoenzyms verstärkt, da es in zwei gestapelten Ringen vorliegt. Die Nähe dieser benachbarten Ringe erhöht die Wahrscheinlichkeit der Phosphorylierung benachbarter CaMKII-Enzyme und fördert die Autophosphorylierung. Ein Mechanismus, der die Autophosphorylierung fördert, ist die Hemmung von PP1 (Proteinphosphatase I) . Dadurch kann CaMKII konstant aktiv sein, indem die Wahrscheinlichkeit einer Autophosphorylierung erhöht wird.
Langzeitpotenzierung
Die Calcium/Calmodulin-abhängige Proteinkinase II ist auch stark an der Langzeitpotenzierung (LTP) beteiligt – dem molekularen Prozess der Stärkung aktiver Synapsen, von dem angenommen wird, dass er den Prozessen des Gedächtnisses zugrunde liegt. Es ist an vielen Aspekten dieses Prozesses beteiligt. LTP wird initiiert, wenn sich die NMDA-Rezeptoren in einer lokalen Umgebung mit einem Spannungspotential befinden, das hoch genug ist, um das positiv geladene Mg 2+ -Ion aus der Kanalpore zu verdrängen . Durch die Entblockung des Kanals können Ca 2+ -Ionen über den NMDA-Rezeptorkanal in das postsynaptische Neuron eindringen. Dieser Ca 2+ -Einstrom aktiviert CaMKII. Es wurde gezeigt, dass die CaMKII-Aktivität direkt in der postsynaptischen Dichte der Dendriten nach der LTP-Induktion zunimmt, was darauf hindeutet, dass die Aktivierung ein direktes Ergebnis der Stimulation ist.
In LTP
Wenn alpha-CaMKII bei Mäusen ausgeschaltet wird, wird LTP um 50% reduziert. Dies lässt sich dadurch erklären, dass Beta-CaMKII für ca. 65 % der CaMKII-Aktivität verantwortlich ist. LTP kann vollständig blockiert werden, wenn CaMKII so modifiziert wird, dass es nicht aktiv bleiben kann. Nach der LTP-Induktion bewegt sich CaMKII zur postsynaptischen Dichte (PSD). Wenn die Stimulation jedoch keine LTP induziert, ist die Translokation schnell reversibel. Die Bindung an das PSD verändert CaMKII, sodass es weniger wahrscheinlich dephosphoryliert wird. CaMKII wandelt sich von einem Substrat für Protein Phosphatase 2A (PP2A), das für die Dephosphorylierung von CaMKII verantwortlich ist, in das von Protein Phosphatase 1 um. Strack, S. (1997) demonstrierte dieses Phänomen durch chemische Stimulation von Hippocampus-Schnitten. Dieses Experiment veranschaulicht, dass CaMKII zur Verbesserung der synaptischen Stärke beiträgt. Sanhuezaet al. fanden heraus, dass eine anhaltende Aktivierung von CaMKII für die Aufrechterhaltung von LTP notwendig ist. Sie induzierte LTP in Hippocampusschnitten und applizierte experimentell einen Antagonisten (CaMKIINtide), um zu verhindern, dass CaMKII aktiv bleibt. Die Schnitte, die mit CaMKIINtide appliziert wurden, zeigten eine Abnahme der normalisierten EPSP-Steigung nach der Medikamenteninfusion, was bedeutet, dass sich die induzierte LTP umkehrte. Die normalisierte EPSP-Steigung blieb in der Kontrolle konstant; CaMKII ist auch nach der Einrichtung des LTP weiterhin am LTP-Pflegeprozess beteiligt. CaMKII wird durch Calcium/Calmodulin aktiviert, aber durch Autophosphorylierung aufrechterhalten. CaMKII wird durch die NMDA-Rezeptor-vermittelte Calciumerhöhung aktiviert, die während der LTP-Induktion auftritt. Die Aktivierung wird von einer Phosphorylierung sowohl der Alpha- als auch der Beta-Untereinheiten und von Thr286/287 begleitet.
Unabhängige Induktion von LTP
LTP kann durch künstliche Injektion von CaMKII induziert werden. Wenn CaMKII postsynaptisch in Hippocampus-Schnitte und intrazelluläre Perfusion oder virale Expression infundiert wird, kommt es zu einer zwei- bis dreifachen Reaktion der Synapse auf Glutamat und andere chemische Signale.
Mechanistische Rolle bei LTP
Es gibt starke Hinweise darauf, dass CaMKII nach der Aktivierung von CaMKII eine Rolle beim Transport von AMPA- Rezeptoren in die Membran und dann in die PSD des Dendriten spielt. Die Bewegung der AMPA-Rezeptoren erhöht die postsynaptische Reaktion auf die präsynaptische Depolarisation durch die Stärkung der Synapsen. Dadurch entsteht LTP.
Mechanistisch phosphoryliert CaMKII AMPA-Rezeptoren an der P2-Serin-831-Stelle. Dies erhöht die Kanalleitfähigkeit von GluA1-Untereinheiten von AMPA-Rezeptoren, was es AMPA-Rezeptoren ermöglicht, während der LTP empfindlicher als normal zu sein. Eine erhöhte Empfindlichkeit des AMPA-Rezeptors führt zu einer erhöhten synaptischen Stärke.
Zusätzlich zur Erhöhung der Kanalleitfähigkeit von GluA1-Untereinheiten wurde auch gezeigt, dass CaMKII den Prozess der AMPA-Rezeptor-Exozytose unterstützt. Reserve-AMPA-Rezeptoren sind in Endosomen innerhalb der Zelle eingebettet. CaMKII kann die Endosomen stimulieren, sich zur äußeren Membran zu bewegen und die eingebetteten AMPA-Rezeptoren zu aktivieren. Die Exozytose von Endosomen vergrößert und erhöht die Anzahl der AMPA-Rezeptoren in der Synapse. Die größere Anzahl von AMPA-Rezeptoren erhöht die Empfindlichkeit der Synapse gegenüber präsynaptischer Depolarisation und erzeugt LTP.
Wartung von LTP
Neben der Unterstützung bei der Etablierung von LTP hat sich CaMKII als entscheidend für die Aufrechterhaltung von LTP erwiesen. Es wird angenommen, dass seine Fähigkeit zur Autophosphorylierung eine wichtige Rolle bei dieser Aufrechterhaltung spielt. Es hat sich gezeigt, dass die Verabreichung bestimmter CaMKII-Blocker LTP nicht nur blockiert, sondern auch zeitabhängig rückgängig macht.
Verhaltensgedächtnis
Da angenommen wird, dass LTP den Lern- und Gedächtnisprozessen zugrunde liegt, ist CaMKII auch entscheidend für die Gedächtnisbildung. Verhaltensstudien mit gentechnisch veränderten Mäusen haben die Bedeutung von CaMKII gezeigt.
Verhinderung der Autophosphorylierung
Defizit im räumlichen Lernen
1998 untersuchten Giese und Kollegen Knockout-Mäuse, die gentechnisch verändert wurden, um die Autophosphorylierung von CaMKII zu verhindern. Sie beobachteten, dass Mäuse Schwierigkeiten hatten, die versteckte Plattform in der Morris-Wasserlabyrinth-Aufgabe zu finden. Die Morris-Wasserlabyrinth-Aufgabe wird häufig verwendet, um Hippocampus-abhängiges räumliches Lernen darzustellen. Die Unfähigkeit der Mäuse, die versteckte Plattform zu finden, deutet auf Defizite beim räumlichen Lernen hin.
Diese Ergebnisse waren jedoch nicht vollständig schlüssig, da ein Defizit der Gedächtnisbildung auch mit einer sensomotorischen Beeinträchtigung aufgrund einer genetischen Veränderung verbunden sein könnte.
Mangel an Angsterinnerungen
Irvine und Kollegen im Jahr 2006 zeigten, dass die Verhinderung der Autophosphorylierung von CaMKII dazu führt, dass Mäuse das anfängliche Erlernen der Angstkonditionierung beeinträchtigt haben . Nach wiederholten Versuchen zeigten die beeinträchtigten Mäuse jedoch eine ähnliche Angstgedächtnisbildung wie die Kontrollmäuse. CaMKII kann beim schnellen Angstgedächtnis eine Rolle spielen, verhindert aber auf lange Sicht das Angstgedächtnis nicht vollständig.
Im Jahr 2004 fanden Rodrigues und Kollegen heraus, dass Angstkonditionierung phosphoryliertes CaMKII in seitlichen Amygdala-Synapsen und dendritischen Dornen erhöht, was darauf hindeutet, dass Angstkonditionierung für die Regulierung und Aktivierung der Kinase verantwortlich sein könnte. Sie entdeckten auch ein Medikament, KN-62 , das CaMKII hemmt und den Erwerb von Angstkonditionierung und LTP verhindert.
Defizit bei der Konsolidierung von Gedächtnisspuren
α-CaMKII-heterozygote Mäuse exprimieren die Hälfte des normalen Proteinspiegels als Wildtyp-Spiegel. Diese Mäuse zeigten eine normale Gedächtnisspeicherung im Hippocampus, aber Defizite bei der Konsolidierung des Gedächtnisses im Kortex.
Überexpression
Mayford und Kollegen entwickelten transgene Mäuse, die CaMKII mit einer Punktmutation von Thr-286 zu Aspartat exprimieren, die die Autophosphorylierung nachahmt und die Kinaseaktivität erhöht. Diese Mäuse zeigten keine LTP-Reaktion auf schwache Reize und konnten kein Hippocampus-abhängiges räumliches Lernen durchführen, das von visuellen oder olfaktorischen Hinweisen abhing.
Forscher spekulieren, dass diese Ergebnisse auf das Fehlen stabiler Hippocampus-Ortszellen bei diesen Tieren zurückzuführen sein könnten.
Da genetische Modifikationen jedoch unbeabsichtigte Entwicklungsänderungen verursachen können, ermöglicht die Übertragung von viralen Vektoren, dass das genetische Material der Mäuse in bestimmten Entwicklungsstadien modifiziert wird. Mit der viralen Vektorabgabe ist es möglich, ein spezifisches Gen der Wahl in eine bestimmte Region des Gehirns eines bereits entwickelten Tieres zu injizieren. Poulsen und Kollegen verwendeten diese Methode im Jahr 2007, um CaMKII in den Hippocampus zu injizieren. Sie fanden heraus, dass die Überexpression von CaMKII zu einer leichten Verbesserung des Erwerbs neuer Erinnerungen führte.
Sucht
Drogeninduzierte Veränderungen der CaMKII-Funktion wurden mit Sucht in Verbindung gebracht.
Verschiedene Formen
CaMK2A
CaMKIIA ist eine der Hauptformen von CamKII. Es wurde festgestellt, dass es eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Aktivierung von CamKII in der postsynaptischen Dichte spielt. Studien haben gezeigt, dass Knockout-Mäuse ohne CaMKIIA eine niedrige LTP-Frequenz aufweisen. Außerdem bilden diese Mäuse keine persistenten, stabilen Platzzellen im Hippocampus.
CaMK2B
CaMK2B hat eine Autophosphorylierungsstelle bei Thr287. Es fungiert als Targeting- oder Docking-Modul. Reverse Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion und Sequenzanalyse identifizierten mindestens fünf alternative Spleißvarianten von Beta-CaMKII (beta, beta6, betae, beta'e und beta7) im Gehirn, und zwei davon (beta6 und beta7) wurden erstmals in einer beliebigen Spezies nachgewiesen .
CaMK2D
CaMK2D kommt sowohl in neuronalen als auch in nicht-neuronalen Zelltypen vor. Es ist besonders in vielen Tumorzellen charakterisiert, wie einer Vielzahl von Pankreas-, Leukämie-, Brust- und anderen Tumorzellen. fanden heraus, dass CaMK2D in menschlichen Tumorzellen herunterreguliert ist.
CaMK2G
CaMK2G hat sich als eine entscheidende extrazelluläre signalregulierte Kinase in differenzierten glatten Muskelzellen erwiesen.
Gene
Siehe auch
Verweise
Externe Links
- Calcium-Calmodulin+Dependent+Protein+Kinases in der US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
- Um mehr über das CaMKII zu erfahren ...
